بر اساس پژوهش تیمی از محققان در ایالات متحده، ساختار اتمی ماده‌ای که تحت تابش قرار می‌گیرد به یک مایع نزدیک‌تر است تا یک شیشه. پژوهش‌گران از شیشه‌ها برای مطالعه‌ و پیش‌بینی صدمات ناشی از تابش استفاده می‌کنند اما به گفته‌ی مهندسانی که در این پژوهش جدید فعالیت دارند، مطالعه‌ی حالات مایع می‌تواند بسیار مناسب‌تر باشد. آن‌ها می‌افزایند که این یافته‌ها که از شبیه‌سازی‌های دینامیکیِ مولکولی حاصل شده، توانسته به تشخیص مواد مقاوم در برابر تابش کمک کند.

موادی که در معرض تابش نوترونی قرار می‌گیرند ممکن است دچار صدمات ساختاری قابل‌توجه شوند. فهم و درک اثرات این آسیب در کاربردهایی همچون ساخت تجهیزات هسته‌ای و ذخیره‌ی زباله‌های هسته‌ای مهم است.

متیو باوچی (Mathieu Bauchy) مهندس عمران از دانشگاه کالیفرنیا اینگونه توضیح می‌دهد:« وقتی مواد در معرض تابش قرار می‌گیرند اندکی بی‌نظمی در ساختار اتمی آن‌ها رخ می‌دهد. این بی‌نظمی می‌تواند ویژگی‌هایی همچون چگالی، سختی و مقاومت را تحت تاثیر قرار دهد. بنابراین درک اثر قرار گرفتن در معرض تابش بر روی ساختار اتمی مواد برای اطمینان از یکپارچگی آنها امری اساسی است».

آن بخش از بی‌نظمی در شبکه اتمی که از قرار گرفتن در معرض تابش ناشی می‌شود، شبیه بی‌نظمی موجود در حالت غیربلورین مواد شیشه‌ای است. شیشه‌ها زمانی ایجاد می‌شوند که یک ماده‌ی مایع، سریعاً خنک یا سرکوب شود؛ فرآیندی که به شیشه‌سازی (vitrification) معروف است. به جای تشکیل یک جامد بلورین منظم، خنک‌سازی سریع باعث می‌شود تا اتم‌ها در یک حالت غیربلورین گیر کنند.

قرارگیری در معرض تابش و شیشه‌سازی

به خاطر شباهت‌ این دو، شیشه‌ها برای پیش‌بینی ویژگی‌های موادی مورد استفاده قرار می‌گیرند که در معرض تابش قرار گرفته‌اند. اما تفاوت‌هایی هم بین این مواد مورد توجه بوده‌اند که به سوالاتی درمورد اینکه آیا قرارگیری در معرض تابش و شیشه‌سازی اثرات معادلی دارند یا نه می‌انجامد. به این منظور باوچی و همکارانش در UCLA و آزمایشگاه ملی اوک‌ریج از شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی فعال برای مقایسه‌ی ساختار اتمی کوارتزِ قرارگرفته در معرض تابش و سیلیکای شیشه‌ای استفاده کرده‌‌اند که هر دو دی‌اکسید سیلیکون را تشکیل می‌دهند.

اثر تابش بر روی کوارتز چون کاربردهای بسیاری در مهندسی عمران مثل ساخت تجهیزات هسته‌ای و مخازن زباله‌ها دارد از اهمیت برخوردار است؛ کوارتز یکی از فراوان‌ترین مواد معدنی بر روی زمین و ماده‌ی مهمی است که در شن‌هایی بکار رفته در ساختمان‌سازی از آن استفاده می‌شود.

پس از شبیه‌سازی‌های صدمات تابشی و حرارت‌دهی به دنبال سردسازی سریع (شیشه‌سازی) بر روی کوارتز، پژوهش‌گران ساختارهای اتمی مواد حاصل را مقایسه کرده‌اند. آن‌ها تفاوت‌های قابل‌توجهی را در بی‌نظمی ایجاد شده توسط تابش و شیشه‌سازی مشاهده کرده‌اند. ماده‌ای که در معرض تابش قرار گرفته، بی‌نظم‌تر از شیشه بوده و ساختار اتمیِ آن نزدیک ساختار یک مایع است.

نتیجه‌ی متناقض 

به بیان باوچی: «چون قرارگیری در معرض تابش به بی‌نظمی در ساختار اتمی می‌انجامد، احساس می‌شود که بلورهای در معرض تابش به سمت حالت شیشه‌ای بروند. با این حال با مقایسه‌ی ساختار کوارتز تابش‌دیده با سیلیکای شیشه‌ای دریافتیم که این فرض صحیح نیست.»

ان‌ ام آنوپ کریشنان (N M Anoop Krishnan) از اعضای این تیم می‌افزاید: «مشاهده کردیم که کوارتز تابش‌دیده بی‌نظمی بیشتری نسبت به سیلیکای شیشه‌ای از خود نشان می‌دهد هم در پیرامون اتم‌های کوتاه‌برد و هم برد متوسط. جالب توجه اینکه دریافتیم ساختار و ویژگی‌های ترمودینامیکیِ کوارتزِ تابش‌دیده با سیلیکای مذاب مایع، معادل است».

در واقع ساختار اتمی کوارتزِ تابش‌دیده، نقص‌های مختصاتی، واحدهای تقسیم شده لبه‌ای و حلقه‌های سیلیکاتی بزرگ را نمایان می‌سازد. تمامی این اثرات در سیلیکای شیشه‌ای که با شیشه‌سازی تولید شده است حضور ندارند.

کاهش سرعت آسیب

به بیان این پژوهش‌گران، یافته‌های این تحقیق که بر اساس آن مواد تابش‌دیده ساختار شبه‌مایع دارند، مفاهیم مهمی دارد. به گفته‌ی باوچی از نقطه‌نظر بنیادین، این پدیده توضیح می‌دهد که چرا آسیب ساختاری پس از قرار گرفتن در معرض تابش طولانی میشود بجای آنکه به شکل پیوسته افزایش یابد. «به محض آنکه ماده به یک ساختار شبه‌مایع می‌رسد برای اتم‌ها آسان‌تر است تا حرکت کنند و بازآرایی کنند که از هرگونه آسیب دیگر جلوگیری می‌کند.»

کریشنان این‌گونه توضیح می‌دهد: این نتیجه همچنین «نشان می‌دهد که ساختار و ویژگی‌های مواد تابش‌دیده را می‌توان از روی مایع متناظر آن پیش‌گویی کرد». بر اساس این پژوهش این درک و فهم می‌تواند به تشخیص مواد نایاب مقاوم در برابر تابش کمک کند.

این تحقیق در مجله‌ی فیزیک شیمی به چاپ رسیده است.

درباره‌ی نویسنده:

میخائیل آلن نویسنده‌ای علمی از بریستول انگلستان است.

منبع:

Solid becomes liquid-like when irradiated