Annual Review of Materials Research

Trong quá trình vận hành, các thanh nhiên liệu hạt nhân được ngâm trong nước sơ cấp, dẫn đến ăn mòn ở mặt nước và sự xâm nhập của hydro. Trong bài tổng quan này, các cơ chế ăn mòn và sự hấp thụ hydro cũng như vai trò của việc lựa chọn hợp kim trong việc giảm thiểu cả hai hiện tượng này được xem xét dựa trên hai đặc điểm chính: động học tiền chuyển tiếp và sự mất khả năng bảo vệ của oxit tại chuyển tiếp. Ở các hợp kim zirconium, sự thay đổi rất nhỏ về thành phần hoặc cấu trúc vi mô có thể gây ra sự khác biệt đáng kể về khả năng chống ăn mòn, do đó hiệu suất ăn mòn phụ thuộc mạnh vào loại hợp kim. Các hợp kim cho thấy động học tiền chuyển tiếp dưới dạng parabol khác nhau nhưng có thể tái sản xuất và độ dày chuyển tiếp khác nhau. Một cơ chế cho sự phát triển và phá vỡ oxit dựa trên nghiên cứu chi tiết về cấu trúc oxit có thể giải thích các kết quả này. Thông qua việc sử dụng mô hình bù điện tích dòng điện đã được phát triển gần đây về động học ăn mòn và sự hấp thụ hydro, động học dưới dạng parabol và phần trăm hydro có thể được lý giải: Sự hấp thụ hydro tăng lên khi sự vận chuyển electron giảm xuống, yêu cầu sự xâm nhập của hydro để đóng phản ứng.

Mặc dù các chuyển tiếp pha đã từ lâu là trung tâm của các nghiên cứu về khoa học vật liệu ngưng tụ, một số nỗ lực gần đây tập trung vào việc khai thác tiềm năng thay đổi tính chất chức năng trong điện tử và quang học mới cũng như hiểu biết về các hiện tượng phát sinh. Điều này vô cùng kịp thời, khi một thách thức lớn trong khoa học vật lý thế kỷ XXI liên quan đến việc tạo điều kiện cho những tiến bộ tiếp theo trong xử lý và lưu trữ thông tin vượt ra ngoài sự thu nhỏ CMOS thông thường. Trong bài tổng quan ngắn này, chúng tôi thảo luận về việc tổng hợp các oxit có tương tác mạnh, cơ chế của các chuyển tiếp kim loại-bất định, và các thiết bị electron thăm dò đang được nghiên cứu. Chúng tôi đặc biệt nhấn mạnh vào đi-ô-xít vanadi, một vật liệu trải qua chuyển tiếp kim loại-bất định sắc nét gần nhiệt độ phòng tại các thang thời gian siêu nhanh. Bài viết bắt đầu với phần giới thiệu về chuyển tiếp kim loại-bất định trong các oxit, tiếp theo là một thảo luận ngắn về các cơ chế dẫn đến chuyển tiếp pha. Vai trò của việc tổng hợp vật liệu trong việc ảnh hưởng đến các tính chất chức năng được thảo luận ngắn gọn. Những nỗ lực gần đây trong việc hiện thực hóa các thiết bị mới như công tắc hiệu ứng trường, cảm biến quang, các thành phần mạch phi tuyến, và cảm biến rắn được xem xét. Bài viết kết thúc với một thảo luận ngắn về các hướng nghiên cứu tương lai có thể đáng được xem xét.

Các hệ thống năng lượng hợp hạch và phân hạch tiên tiến (Thế hệ IV) đề xuất yêu cầu các vật liệu hiệu suất cao có khả năng hoạt động thỏa đáng cho đến mức độ tổn thương neutron gần 200 dịch chuyển nguyên tử mỗi nguyên tử, cùng với một lượng lớn đồng vị hydro và heli chuyển thể. Sau một cái nhìn tổng quan ngắn gọn về các khái niệm lò phản ứng hợp hạch và hiện tượng tác động của bức xạ trong các vật liệu kết cấu và chức năng (phi kết cấu), ba lựa chọn cơ bản cho việc thiết kế khả năng chống bức xạ được phác thảo: Sử dụng các pha ma trận có khả năng chịu bức xạ tự nhiên, lựa chọn các vật liệu mà trong đó khoảng trống không di chuyển ở nhiệt độ hoạt động thiết kế, hoặc thiết kế các vật liệu có mật độ bẫy cao để tái kết hợp các khuyết tật điểm. Các yếu tố môi trường và an toàn đặt ra một số hạn chế bổ sung đối với các hệ thống vật liệu tiềm năng, nhưng các loại thép ferritic/martensitic giảm hoạt hóa (bao gồm các tùy chọn xử lý nhiệt cơ học và tăng cường phân tán oxit) và các hợp chất gốm silicon carbide nổi lên như là các lựa chọn vật liệu kết cấu mạnh mẽ. Mô hình hóa vật liệu (bao gồm cả nhiệt động lực học tính toán) và các phương pháp chế tạo tiên tiến đang chuẩn bị tạo ra tác động lớn trong mười năm tới.

Vật liệu điện sắc có đặc tính thay đổi, kích hoạt hoặc làm nhạt màu xảy ra do quá trình chuyển electron (quá trình redox) hoặc do điện hóa đủ lớn. Các lớp vật liệu điện sắc chính được khảo sát tại đây, với mô tả về các ví dụ tiêu biểu từ oxit kim loại, viologen (trong dung dịch và dưới dạng phim hấp thụ hoặc polymer), polymer dẫn điện liên hợp, phức hợp phối trí kim loại (dưới dạng phim polymer, bay hơi hoặc thăng hoa), và hexacianometalat kim loại. Các ví dụ về ứng dụng của những vật liệu điện sắc này cũng được đưa vào. Các khía cạnh vật liệu khác quan trọng cho việc xây dựng các thiết bị điện sắc bao gồm các điện cực trong suốt quang học, lớp điện phân, và bao bọc thiết bị. Những thành công thương mại, xu hướng hiện tại và thách thức trong tương lai trong nghiên cứu và phát triển vật liệu điện sắc được tóm tắt.

▪ Tóm tắt  Cấu trúc và tính chất khác thường của ống nano cacbon được trình bày, với sự tham khảo đặc biệt đến ống nano đơn (SWNTs) và những tính chất của ống nano khác với những vật liệu ở trạng thái khối. Cấu trúc nguyên tử; cấu trúc điện tử; và các tính chất giao động, quang học, cơ học, và nhiệt được thảo luận, với những tham chiếu đến các giao điểm của ống nano, sự lấp đầy ống nano, và ống nano đôi (DWNTs). Sự chú ý đặc biệt được dành cho quang phổ Raman cộng hưởng ở cấp độ ống nano đơn. Tình trạng nghiên cứu hiện tại trong lĩnh vực này được đánh giá và các cơ hội cho nghiên cứu trong tương lai được xác định.

▪ Tóm tắt  Các khía cạnh nguyên tử của sự nứt động trong nhiều loại vật liệu tinh thể giòn, vô định hình, nano và nano-composite được xem xét. Các mô phỏng động học phân tử (MD), dao động từ một triệu đến 1.5 tỷ nguyên tử, được thực hiện trên các máy tính song song quy mô lớn sử dụng các thuật toán đa phân giải hiệu quả cao. Những mô phỏng này làm sáng tỏ (a) sự phân nhánh, cơ chế lệch và dừng của các vết nứt; (b) sự phát triển của các lỗ nano phía trước vết nứt và cách mà các lỗ này hợp nhất với vết nứt để gây ra sự nứt; và (c) ảnh hưởng của những cơ chế này đến hình thái của bề mặt nứt. Những tiến bộ gần đây trong các sơ đồ mô phỏng đa quy mô mới kết hợp giữa cơ học lượng tử, động học phân tử và phương pháp phần tử hữu hạn, cùng với việc sử dụng các phương pháp hybrid này trong nghiên cứu sự lan truyền của vết nứt cũng được thảo luận.

▪ Tóm tắt Các trở ngại chính đối với việc thương mại hóa cao hơn của pin nhiên liệu điện phân polymer chủ yếu liên quan đến độ dẫn proton thấp tại độ ẩm tương đối thấp của các màng ionomer đã biết, đến tính thấm methanol cao và các tính chất cơ học kém trên 130°C. Một giải pháp khả thi cho những vấn đề này đã được tìm thấy trong sự phát triển của các màng composite, nơi các hạt chất độn phù hợp được phân tán trong ma trận ionomer. Các phương pháp chuẩn bị để thu được các màng composite được mô tả, và công việc gần đây liên quan đến các màng ionomer composite chứa silica, axit heteropoly, phốt phát kim loại lớp, và phosphonat được xem xét. Cuối cùng, các chiến lược mới cho việc chuẩn bị các màng nano-composite và việc làm đầy các màng polymer có xốp bằng phosphonat zirconium dẫn điện cao được mô tả. Ảnh hưởng dự kiến của kích thước và sự định hướng của những hạt này đối với các tính chất của màng, như độ dẫn điện và độ thấm methanol, cũng được thảo luận.

Bài tổng quan này về quá trình nén chặt vật liệu dưới áp lực, kích hoạt bằng dòng điện hiện tại (CAPAD) tập trung vào cả vấn đề cơ bản và thực tiễn. Chúng tôi cung cấp một số bối cảnh hữu ích cho các nhà nghiên cứu quan tâm đến quy trình này và đánh giá một cách nghiêm túc trạng thái của kỹ thuật.

Năng lượng phân hạch tiên tiến và năng lượng tổng hợp trong tương lai sẽ yêu cầu những hợp kim cấu trúc hiệu suất cao mới với các đặc tính vượt trội được duy trì trong điều kiện phục vụ lâu dài trong môi trường siêu khắc nghiệt, bao gồm tổn thương neutron gây ra tới 200 sự dịch chuyển nguyên tử mỗi nguyên tử và, đối với tổng hợp, 2000 appm He. Sau khi mô tả ngắn gọn về tổn thương do tia xạ và khả năng kháng tổn thương, chúng tôi tập trung vào một lớp hợp kim ferritic nano cấu trúc mới nổi (NFAs) cho thấy triển vọng trong việc đáp ứng những thách thức này. NFAs chứa mật độ cực cao của các đặc điểm gia cố phân tán giàu Y-Ti-O (NFs) mà, cùng với các hạt tinh và mật độ đứt gãy cao, cung cấp độ bền kéo, độ bền chảy và độ bền mỏi cực kỳ cao. Các NFs ổn định dưới ảnh hưởng của tia xạ lên tới 800°C và giữ He trong các bọt quy mô nhỏ, ngăn chặn sự phồng lên của khoảng trống và làm giòn nhanh ở nhiệt độ thấp, cũng như làm giòn do đứt gãy do chảy trong môi trường nhiệt độ cao. Trạng thái hiện tại của sự phát triển và hiểu biết về NFAs được mô tả, cùng với một số thách thức đáng kể còn lại.

Các polyme tự lành và composite polyme gia cường bằng sợi có khả năng tự phục hồi khi bị hư hỏng bất kể lúc nào và ở đâu trên vật liệu. Hành vi vật liệu phi thường này được lấy cảm hứng từ các hệ sinh học, nơi mà khả năng tự lành là điều bình thường. Đến nay, đã có ba phương pháp lý thuyết về tự lành được trình bày: hệ thống tự lành dựa trên viên nang, hệ thống tự lành có mạch máu, và các polyme tự lành bên trong. Quá trình tự lành có thể là tự động—tự động mà không cần can thiệp của con người—hoặc có thể yêu cầu năng lượng hoặc áp suất bên ngoài. Tất cả các loại polyme, từ thermoset đến thermoplastic đến elastomer, đều có tiềm năng tự lành. Phần lớn các nghiên cứu tính đến thời điểm hiện tại tập trung vào việc khôi phục độ toàn vẹn cơ học sau khi xảy ra gãy tĩnh. Bài viết này cũng xem xét khả năng tự lành trong quá trình mỏi và phản ứng với hư hỏng do va chạm, thủng và ăn mòn. Các khái niệm được thể hiện bởi các polyme tự lành hiện tại cung cấp một hướng đi mới đến sản phẩm và bộ phận an toàn hơn, kéo dài tuổi thọ hơn, và chịu lỗi tốt hơn trên một phạm vi rộng các lĩnh vực công nghiệp, bao gồm sơn phủ, điện tử, giao thông vận tải và năng lượng.