Они опубликовали ответы 22 февраля в Сообщения о природе.

"Коррозия, повсеместный способ разрушения материалов, традиционно измеряется в трех или двух измерениях, но этих теорий было недостаточно для объяснения явления в данном случае", - сказал соавтор исследования Ян Янг, доцент кафедры инженерных наук и механики и ядерной инженерии Пенсильванского государственного университета. Он также связан с Национальным центром электронной микроскопии при Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, а также с Институтом исследования материалов при Пенсильванском университете. "Мы обнаружили, что эта проникающая коррозия была настолько локализована, что существовала только в одном измерении - как червоточина".

Червоточины на Земле, в отличие от гипотетического астрофизического явления, обычно пробуравливаются насекомыми, такими как черви и жуки. Они роются в земле, дереве или фруктах, оставляя за собой одну ямку, когда выкапывают невидимый лабиринт. Червь может вернуться на поверхность через новое отверстие. С поверхности это выглядит так, как будто червь исчезает в одной точке пространства и времени и вновь появляется в другой. Электронная томография могла бы выявить скрытые туннели маршрута движения расплавленной соли в микроскопическом масштабе, морфология которых очень похожа на червоточины.

Чтобы выяснить, как расплавленная соль "проникает" сквозь металл, Янг и его команда разработали новые инструменты и подходы к анализу. По словам Янга, их результаты не только раскрывают новый механизм морфологии коррозии, но и указывают на потенциал преднамеренного проектирования таких структур для использования более совершенных материалов.

"Коррозия часто ускоряется в определенных местах из-за различных дефектов материала и различных локальных условий, но обнаружение, прогнозирование и понимание локализованной коррозии чрезвычайно сложны", - сказал соавтор исследования Эндрю М. Минор, профессор материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Беркли и Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли.

Команда выдвинула гипотезу, что образование червоточин связано с исключительной концентрацией вакансий - пустых участков, возникающих в результате удаления атомов - в материале. Чтобы доказать это, команда объединила сканирующую просвечивающую электронную микроскопию 4D с теоретическими расчетами для выявления вакансий в материале. В совокупности это позволило исследователям нанести на карту вакансии в атомном расположении материала в нанометровом масштабе. По словам Яна, полученное разрешение в 10 000 раз выше, чем у обычных методов обнаружения.

"Материалы не идеальны", - сказал соавтор исследования Майкл Шорт, адъюнкт-профессор ядерной науки и инженерии Массачусетского технологического института (MIT). "В них есть вакансии, и концентрация вакансий увеличивается по мере того, как материал нагревается, облучается или, в нашем случае, подвергается коррозии. Типичные концентрации вакансий намного меньше, чем концентрация, вызванная расплавленной солью, которая агрегируется и служит предшественником червоточины."

Расплавленная соль, которую можно использовать в качестве реакционной среды для синтеза материалов, рециркулирующего растворителя и многого другого в дополнение к охлаждающей жидкости ядерного реактора, избирательно удаляет атомы из материала во время коррозии, образуя одномерные червоточины вдоль двумерных дефектов, называемых границами зерен, в металле. Исследователи обнаружили, что расплавленная соль уникальным образом заполняет пустоты в различных металлических сплавах.

"Только после того, как мы узнаем, как проникает соль, мы сможем намеренно контролировать или использовать ее", - сказал соавтор исследования Вэйюэ Чжоу, постдокторант Массачусетского технологического института. "Это имеет решающее значение для безопасности многих передовых инженерных систем".

Теперь, когда исследователи лучше понимают, как расплавленная соль проникает через определенные металлы - и как это меняется в зависимости от типа соли и металла, - они сказали, что надеются применить эту физику для лучшего прогнозирования разрушения материалов и разработки более стойких материалов.

"В качестве следующего шага мы хотим понять, как этот процесс развивается в зависимости от времени и как мы можем зафиксировать явление с помощью моделирования, чтобы помочь понять механизмы", - сказала соавтор Миа Джин, доцент кафедры ядерной инженерии Пенсильванского государственного университета. "Как только моделирование и эксперименты смогут идти рука об руку, может оказаться более эффективным научиться создавать новые материалы, чтобы подавлять это явление, когда оно нежелательно, и использовать его иным образом".

Среди других авторов - соавторы Джим Кистон, М.К. Скотт, Шэн Инь, Цинь Ю, Роберт О. Ричи и Марк Аста, Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли; соавторы Мингда Ли и Джу Ли, Массачусетский технологический институт; Сара Ю. Ван, Я-Цянь Чжан и Стивен Э. Зельтманн, Калифорнийский университет, Беркли; Мэтью Дж. Ольшта и Дэниел К. Шрайбер, Тихоокеанская Северо-Западная национальная лаборатория; и Джон Р. Скалли, Университет Вирджинии. Майнор, Скотт, Ричи и Аста также связаны с Калифорнийским университетом в Беркли.

Эта работа была в первую очередь поддержана FUTURE (Фундаментальное понимание переноса в экстремальных условиях реактора), исследовательским центром энергетических рубежей, финансируемым Министерством энергетики, Управлением науки, Фундаментальными энергетическими науками.