As futuras usinas de fusão nuclear visam recriar o núcleo de uma estrela aqui na Terra para suprir nossas necessidades energéticas futuras. Embora o plasma de fusão no núcleo queime a centenas de milhões de graus, os componentes estruturais ao redor devem suportar cargas térmicas repentinas e intensas, comparáveis ??às temperaturas extremas enfrentadas por espaçonaves na reentrada na atmosfera terrestre. O cobre e suas ligas são os principais candidatos para suportar essas intensas flutuações de temperatura, tornando vital compreender exatamente como o metal se comporta quando levado ao seu ponto de fusão.

Agora, pesquisadores do  Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia e colaboradores capturaram uma imagem extremamente detalhada, passo a passo, de átomos de cobre enquanto eram submetidos a aquecimento térmico extremo. Publicados na  Nature Communications , os resultados revelaram um parâmetro fundamental que permitiu que a estrutura cristalina do cobre derretesse de forma constante, em vez de colapsar instantaneamente, como previsto em simulações anteriores.

“Esses resultados melhoram significativamente as simulações que usamos para prever quais materiais têm maior probabilidade de sobreviver às condições extremas das futuras câmaras de reação de fusão”, disse  Mianzhen Mo , cientista da equipe do SLAC que liderou a pesquisa. “Eles também demonstram a incrível resolução de imagem em escala atômica que podemos obter com a câmera de elétrons do SLAC.”

Na busca por materiais resistentes, conhecer a temperatura em que um material derrete não é suficiente. Os materiais nas futuras câmaras de fusão nuclear passarão por um aquecimento térmico transitório – um aquecimento rápido que leva as ligações atômicas ao limite, acelera o fluxo de energia através das estruturas cristalinas subjacentes e faz com que materiais, até então bem compreendidos, se comportem de maneiras incomuns.

Pesquisadores utilizam simulações computacionais, auxiliadas por  IA e aprendizado de máquina , para analisar inúmeras combinações de elementos e identificar materiais candidatos promissores para testes em situações reais. Nos últimos anos, o grupo de Mo investigou as propriedades do  tungstênio após este ter sido apontado como um material potencial para câmaras de fusão. Os principais modelos sugerem que ligas de cobre poderiam servir como "dissipadores de calor" – materiais que resfriam os sistemas de fusão absorvendo o calor de materiais mais próximos das reações de fusão.

A equipe de Mo decidiu analisar mais de perto, começando com uma amostra de cobre puro.

Para testar a resistência de materiais candidatos para câmaras de fusão, os pesquisadores costumam usar uma abordagem de "cozinhar e observar", primeiro submetendo uma amostra do material a calor extremo e, em seguida, examinando o resultado final após o processo de aquecimento. Seja o cobre derretendo lentamente ou colapsando repentinamente, quando os pesquisadores analisam a amostra, ela se assemelha a uma poça marrom metálica.

“Precisávamos de uma análise cronológica e passo a passo do processo de fusão”, disse Mo.

A equipe levou sua amostra para  o MeV-UED , a poderosa câmera de elétrons do SLAC que captura movimentos atômicos e moleculares em escalas de femtosegundo – milionésimos de bilionésimo de segundo. Eles aqueceram uma fina película de cobre com laser e, em seguida, enviaram um feixe de elétrons para obter imagens da amostra enquanto ela aquecia. O que viram os surpreendeu.

Simulações previram que, durante o aquecimento ultrarrápido, a amostra de cobre começaria a derreter em suas superfícies a cerca de 1.085 graus Celsius. As laterais e as bordas continuariam a derreter com o aumento da temperatura, enquanto a área central da amostra, sujeita a pressões mais elevadas, manteria sua estrutura cristalina por mais tempo. No entanto, ao atingir cerca de 1.424 graus Celsius (aproximadamente 1,25 vezes a temperatura de fusão e o limite de superaquecimento do cobre), esperava-se que a estrutura cristalina remanescente colapsasse instantaneamente em um líquido totalmente desordenado.

Em vez do colapso previsto, os pesquisadores observaram um derretimento gradual, mesmo com a temperatura ultrapassando o limite de superaquecimento. O cobre conseguiu escapar de seu destino. Agora, a equipe acredita saber o porquê.

Quando pesquisadores constroem simulações computacionais para prever o comportamento atômico e molecular, eles se deparam com uma complexidade enorme. Como capturar todas as variáveis ??é computacionalmente dispendioso e alguns fenômenos ainda são pouco compreendidos, eles precisam fazer suposições fundamentadas. Embora essas suposições possam acelerar a resolução de problemas, às vezes uma aproximação pode levar a uma previsão imprecisa.

Nesse caso, as simulações existentes assumiam que o cobre em fusão enfrentaria condições estáticas, com pressão uniforme em todos os lados mantendo os átomos fixos no lugar. Mas as condições de pressão experimentais do mundo real eram muito mais dinâmicas, permitindo que os átomos relaxassem e se deslocassem, mantendo assim certa ordem, mesmo além do limite de superaquecimento. Ao integrar esses parâmetros adicionais às simulações computacionais, a equipe conseguiu replicar o comportamento experimental dos átomos de cobre.

“É uma solução simples, mas as simulações de dinâmica molecular a ignoraram durante anos”, disse Mo. “Quando você tem simulações complexas tentando capturar todos os aspectos da realidade, até o nível de átomos individuais, são necessários dados do mundo real para mostrar o que está faltando nos cálculos.”

“Esta é uma grande melhoria nas capacidades de modelagem e em seu poder preditivo daqui para frente”, disse Siegfried Glenzer,  diretor da divisão de Ciência de Alta Densidade de Energia , professor de ciência de fótons no SLAC e autor sênior do artigo. “A precisão e a resolução com que conseguimos observar esses fenômenos demonstram o quão notável é essa técnica para revelar essas dinâmicas ultrarrápidas e ultrapequenas.”

O experimento também revelou que, em cenários de aquecimento ultrarrápido, o cobre apresenta sinais de um fenômeno chamado pré-fusão, no qual a desordem surge nas superfícies de grãos nanométricos e nos limites entre eles antes que o sistema atinja seu ponto de fusão padrão.

Em seguida, o grupo espera explorar se a imposição de condições hidrostáticas – nas quais a pressão interna e externa sobre o cobre se equilibram – faria com que o cobre colapsasse em seu limite de superaquecimento, conforme previsto pelas simulações. Com uma compreensão mais sólida do comportamento do cobre, eles planejam estudar a dinâmica mais complexa das ligas de cobre e seu potencial para absorver calor em sistemas de fusão.