托木斯克理工大学的科学家及其同事开展了关于新型多层(纳米层状)涂层在质子和氦离子辐照下行为的研究，相关结果发表在《材料研究杂志》(Q2，影响因子：2.9)上，项目获俄罗斯联邦科学与高等教育部资助。这些材料在极端条件下具自愈能力，有望用于热核反应堆部件，研究发现基于铌和锆的功能梯度材料(FGM)在辐照中能保持结构完整性、有效限制缺陷积累。
多层或纳米层叠涂层因高强度、耐腐蚀性和耐辐射性，在核工业尤其是聚变能系统制造方面应用前景广阔，但现有性能尚待提升。此前，理工学院研究人员提出基于铌和锆的FGM新型多层涂层结构，该材料由成分和厚度空间变化的交替层组成，形成渐变过渡。原位研究表明，其加热至900°C时因高效缺陷复合表现热稳定性，可逆相变使其能承受极端加热和冷却循环且性能无明显退化。
此次新研究发现，FGM样品在质子和氦离子辐照下能保持层状结构，未出现非晶化或相变迹象，还阐明了梯度体系在辐照下缺陷演化等机制。论文共同作者、托木斯克理工大学实验物理系教授罗曼·拉普捷夫表示，深入理解梯度结构对极端条件的响应，对将其转化为工程材料至关重要。
研究中，科学家采用磁控溅射法制备了由四层功能层组成的FGM样品：外层铌层厚度3 ± 1μm;纳米级多层涂层由厚度60 ± 15nm、总厚度约1.0 ± 0.3μm的锆铌交替层构成;中间层锆粘合层厚度8 ± 3μm;锆铌合金基底厚度约0.7mm。随后在静电加速器中，用能量800keV的质子束和能量2MeV(稳定精度±0.02%)的氦离子束在室温下对样品辐照。
接着，科学家利用透射电子显微镜、X射线衍射、正电子湮没谱分析和密度泛函理论计算等技术，分析FGM的微观结构响应和缺陷行为。
托木斯克理工大学实验物理系助理安东·洛米金指出，研究表明铌基和锆基纳米层状涂层能有效限制缺陷积累、保持结构完整性，样品缺陷积累和机械性能变化仅限于较薄外层区域，辐射敏感性取决于相间相互作用引起的内部晶格畸变及缺陷在异相边界处的有效分布，结果为设计极端辐射条件下的梯度纳米层状材料提供了可靠物理基础。
该研究还涉及东京理工大学核科学与工程学院实验物理系和研究核反应堆、东京理工大学先进制造技术学院材料科学系以及联合核子研究所的工作人员。
