麻省理工學院的研究人員最近開發出一種新技術，使科學家能夠實時觀察材料在核反應堆環境中如何腐蝕和開裂。這一方法利用高強度 X 射線，能夠幫助工程師設計更安全、壽命更長且性能更佳的核反應堆。研究材料在輻射下的失效問題一直以來都是科學家面臨的挑戰。傳統上，研究人員只能在將樣本從嚴酷環境中取出後進行檢驗，無法直接觀察材料的失效過程。
麻省理工學院核科學與工程系及施瓦茨曼計算機學院的 Ericmoore Jossou 表示，這一新方法改變了這種情況。「我們希望能夠觀察整個過程的發生。如果我們能做到這一點，就可以從頭到尾跟蹤材料，了解它何時以及如何失效。這將幫助我們更好地理解材料。」他說。團隊利用高強度的集中 X 射線束對鎳樣本進行模擬反應堆條件的實驗，這種金屬常用於先進反應堆中的合金。準備樣本的過程中出現了一些挑戰，因為鎳在加熱後會與其矽基底反應，導致實驗失敗。
為了解決這一問題，研究人員在鎳與基底之間插入了一層薄薄的二氧化矽緩衝層。這樣可以防止不必要的反應，但最初會在晶體內部產生新的應力。通常用於重建三維晶體形狀的相位恢復算法無法處理這種過多的應變。隨後出現意外驚喜，當 X 射線束持續照射時，緩衝層逐漸放鬆了內部的應變。這使晶體穩定，算法得以捕捉到它們在失效過程中的三維結構。Jossou 表示：「以前沒有人能做到這一點。現在我們可以製造這種晶體，實時成像電化學過程，如腐蝕，觀察晶體在類似於核反應堆內部的條件下如何失效，這具有深遠的影響。」
這一突破可能會改變核工程的未來。Jossou 指出：「如果我們能改善核反應堆的材料，這意味著我們可以延長反應堆的使用壽命。此外，材料的失效時間也會延長，使我們能夠比現在獲得更多的使用時長。」負責該研究的主要作者和麻省理工學院博士後 David Simonne 說，這種新成像方法提供了納米級的分辨率。「只有用這種技術，我們才能在腐蝕過程中以納米級的分辨率測量應變。」他表示，「我們的目標是將這些新穎的想法帶給核科學界，同時利用同步輻射作為 X 射線探測器和輻射源。」
這項研究還產生了一個意外的好處。團隊發現他們可以利用 X 射線調整晶體內部的應變。這一發現對微電子學有重要意義，因為應變工程能夠提升電氣和光學性能。Jossou 說：「使用我們的技術，工程師可以在製造微電子元件時利用 X 射線來調整應變。雖然這並不是我們這些實驗的目標，但這就像一次實驗獲得了兩個結果。」展望未來，研究人員計劃將這一方法應用於核能和航空航天系統中更複雜的合金，並測試不同緩衝層厚度對應變控制的影響。
倫斯勒理工學院的副教授 Edwin Fohtung 指出，這一發現之所以突出，主要有兩個原因。首先，它提供了對納米級材料如何響應輻射的基本見解，這對於能源技術、微電子學和量子材料正變得越來越重要。其次，它突顯了基底在應變放鬆過程中的關鍵角色，顯示支持表面可以決定顆粒在受到集中 X 射線束照射時是否保持或釋放應變。這項研究的結果發表在《Scripta Materiala》期刊上。
