Los científicos descubrieron que los materiales circundantes pueden aumentar drásticamente la frecuencia de las reacciones de fusión nuclear a bajas energías. Este trabajo abre un campo de investigación completamente nuevo llamado fusión basada en materiales. Los investigadores pueden diseñar materiales no solo para resistir las duras condiciones de la fusión, sino también para aumentar la reacción en condiciones específicas, de manera similar a como los catalizadores aceleran los procesos químicos.
El deuterón, o hidrógeno pesado, se incrustó en finas láminas de metal hechas de titanio y paladio. Los iones de deuterón se dispararon directamente a las láminas cargadas a diferentes niveles de energía, con y sin metal. La teoría física estándar predice que las tasas de fusión disminuyen drásticamente cuando las energías de colisión caen por debajo de 2.5 kilo-electrones voltios (keV). Sin embargo, el equipo observó que a estas bajas energías, la tasa de fusión se convirtió en una meseta y, en algunas muestras de metal, la fusión ocurrió aproximadamente un quintillón de veces más frecuentemente que las reacciones realizadas sin el material.
Este gran aumento se debe a la estructura subatómica del material anfitrión. Los electrones en el metal y las pequeñas imperfecciones en la estructura de la lámina actúan como un escudo alrededor de los núcleos de deuterón cargados positivamente. Los electrones y las imperfecciones en el metal protegen parcialmente las fuerzas electrostáticas repulsivas entre los núcleos de deuterón, facilitando que se acerquen y se fusionen.
Al cambiar la estructura interna del material, el comportamiento de los electrones y la mezcla general, los investigadores pueden influir en qué tan fácilmente ocurren estas reacciones nucleares. Controlar la fusión de baja energía produce partículas subatómicas llamadas neutrones. Si entendemos mejor este efecto, podríamos diseñar nuevos materiales que afecten la tasa de fusión en condiciones específicas. Esto podría llevar al desarrollo de generadores de neutrones más compactos y eficientes, con aplicaciones en el escaneo de carga, la ciencia planetaria y el tratamiento y la imagen médica.
Este trabajo establece un método confiable y reproducible para probar cómo los metales sólidos afectan las interacciones nucleares, creando un nuevo vínculo entre la ciencia de la fusión, la ciencia de los materiales y la química. Este descubrimiento está relacionado con los estudios en el Ames National Laboratory para comprender mejor cómo gestionar los procesos nucleares. Allí, los científicos están ampliando una herramienta de inteligencia artificial llamada DuctGPT para mejorar las predicciones sobre el comportamiento de los materiales en sistemas de energía de fusión activos.