Comenzó con un misterio : ¿Cómo rompió la sal fundida su contenedor de metal? Comprender el comportamiento de la sal fundida, un refrigerante propuesto para los reactores nucleares de próxima generación y la energía de fusión, es una cuestión de seguridad crítica para la producción de energía avanzada. El equipo de investigación multiinstitucional, codirigido por Penn State, inicialmente tomó imágenes de una sección transversal del contenedor sellado y no encontró un camino claro para que la sal apareciera en el exterior. Luego, los investigadores utilizaron la tomografía electrónica, una técnica de imágenes en 3D, para revelar el más pequeño de los pasajes conectados que unen dos lados del contenedor sólido. Ese hallazgo solo generó más preguntas para el equipo que investiga el extraño fenómeno.

Publicaron las respuestas el 22 de febrero en Nature Communications.

« La corrosión, un modo de falla omnipresente de los materiales, se mide tradicionalmente en tres o dos dimensiones, pero esas teorías no fueron suficientes para explicar el fenómeno en este caso », dijo el coautor Yang Yang, profesor asistente de ingeniería y mecánica. y de ingeniería nuclear en Penn State. También está afiliado al Centro Nacional de Microscopía Electrónica en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, así como al Instituto de Investigación de Materiales en Penn State. « Descubrimos que esta corrosión penetrante estaba tan localizada que solo existía en una dimensión, como un agujero de gusano ».

Los agujeros de gusano en la Tierra, a diferencia del hipotético fenómeno astrofísico, suelen ser perforados por insectos como gusanos y escarabajos. Cavan en el suelo, madera o frutas, dejando un agujero atrás mientras excavan un laberinto invisible. El gusano puede regresar a la superficie a través de un nuevo agujero. Desde la superficie, parece que el gusano desaparece en un punto del espacio y el tiempo y reaparece en otro. La tomografía electrónica podría revelar los túneles ocultos del recorrido de las sales fundidas a escala microscópica, cuya morfología se parece mucho a los agujeros de gusano.

Para cuestionar cómo la sal fundida « cava » a través del metal, Yang y el equipo desarrollaron nuevas herramientas y enfoques de análisis. Según Yang, sus hallazgos no solo descubren un nuevo mecanismo de morfología de la corrosión, sino que también apuntan al potencial de diseñar intencionalmente tales estructuras para permitir materiales más avanzados.

« La corrosión a menudo se acelera en sitios específicos debido a diversos defectos materiales y distintos entornos locales, pero la detección, predicción y comprensión de la corrosión localizada es extremadamente desafiante », dijo el coautor correspondiente Andrew M. Minor, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la la Universidad de California Berkeley y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.

El equipo planteó la hipótesis de que la formación de agujeros de gusano está relacionada con la concentración excepcional de vacantes, los sitios vacíos que resultan de la eliminación de átomos, en el material. Para probar esto, el equipo combinó microscopía electrónica de transmisión de barrido 4D con cálculos teóricos para identificar las vacantes en el material. Juntos, esto permitió a los investigadores mapear las vacantes en la disposición atómica del material a escala nanométrica. La resolución resultante es 10.000 veces mayor que la de los métodos de detección convencionales, dijo Yang.

« Los materiales no son perfectos », dijo el coautor Michael Short, profesor asociado de ciencia e ingeniería nuclear en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT). « Tienen vacantes, y la concentración de vacantes aumenta a medida que el material se calienta, se irradia o, en nuestro caso, sufre corrosión. Las concentraciones típicas de vacantes son mucho menores que las causadas por la sal fundida, que se agrega y sirve como precursor de la agujero de gusano ».

La sal fundida, que se puede usar como medio de reacción para la síntesis de materiales, el reciclaje de solventes y más, además del refrigerante de un reactor nuclear, elimina de forma selectiva los átomos del material durante la corrosión, formando los agujeros de gusano 1D a lo largo de los defectos 2D, llamados límites de grano, en el metal. Los investigadores descubrieron que la sal fundida llenaba los vacíos de varias aleaciones metálicas de formas únicas.

« Solo después de que sepamos cómo se infiltra la sal, podemos controlarla o usarla intencionalmente », dijo el coautor principal Weiyue Zhou, asociado postdoctoral en el MIT. « Esto es crucial para la seguridad de muchos sistemas de ingeniería avanzada ».

Ahora que los investigadores comprenden mejor cómo la sal fundida atraviesa metales específicos, y cómo cambia según los tipos de sal y metal, dijeron que esperan aplicar esa física para predecir mejor la falla de los materiales y diseñar materiales más resistentes.

« Como siguiente paso, queremos comprender cómo evoluciona este proceso en función del tiempo y cómo podemos capturar el fenómeno con simulación para ayudar a comprender los mecanismos », dijo la coautora Mia Jin, profesora asistente de ingeniería nuclear en Penn State.. « Una vez que el modelado y los experimentos puedan ir de la mano, puede ser más eficiente aprender a hacer nuevos materiales para suprimir este fenómeno cuando no se desee y utilizarlo de otra manera ».

Otros colaboradores incluyen a los coautores Jim Ciston, MC Scott, Sheng Yin, Qin Yu, Robert O. Ritchie y Mark Asta, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley; coautores Mingda Li y Ju Li, MIT; Sarah Y. Wang, Ya-Qian Zhang y Steven E. Zeltmann, Universidad de California, Berkeley; Matthew J. Olszta y Daniel K. Schreiber, Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico; y John R. Scully, Universidad de Virginia. Minor, Scott, Ritchie y Asta también están afiliados a la Universidad de California, Berkeley.

Este trabajo fue apoyado principalmente por FUTURE (Fundamental Understanding of Transport Under Reactor Extremes), un Centro de Investigación de Fronteras Energéticas financiado por el Departamento de Energía, Oficina de Ciencias, Ciencias Energéticas Básicas.