Defekty rozprzestrzeniają się w diamencie z prędkością ponaddźwiękową

Wady mogą wzmocnić materiał lub spowodować jego katastrofalne uszkodzenie. Wiedza o tym, jak szybko się przemieszczają, może pomóc badaczom zrozumieć takie zjawiska, jak pęknięcia sejsmiczne, awarie strukturalne i mikrofabrykacja.

Po rozstrzygnięciu trwającej pół wieku debaty naukowcy odkryli, że drobne defekty liniowe mogą rozprzestrzeniać się w materii szybciej niż fale dźwiękowe.

Te defekty linii, czyli dyslokacje, nadają metalom wytrzymałość i urabialność, ale mogą również powodować katastrofalne uszkodzenia materiałów — co dzieje się za każdym razem, gdy naciskasz uchwyt na puszce z napojem.

Fakt, że mogą podróżować z takimi prędkościami, pozwala naukowcom na nowo docenić niezwykłe rodzaje uszkodzeń, jakie mogą wyrządzić szerokiej gamie materiałów w ekstremalnych warunkach – od skał rozrywanych przez trzęsienie ziemi po materiały ochronne samolotów zdeformowane pod wpływem ekstremalnych naprężeń. Leora Dresselhaus-Marais, profesor w Narodowym Laboratorium Akceleratorów SLAC na Wydziale Energii i na Uniwersytecie Stanforda, która współprowadziła badania z profesor Norimasą Ozaki na Uniwersytecie w Osace.

Fala uderzeniowa przechodząca przez materiał może powodować defekty zwane dyslokacjami – niewielkimi przesunięciami w krysztale materiału, przez który się rozprzestrzenia, pozostawiając po sobie tak zwane błędy układania. Po lewej stronie regularny układ atomów materii pozostaje niezakłócony. Po prawej stronie dyslokacje przemieszczały się przez materiał od lewej do prawej, tworząc błąd układania (fioletowy), w którym sąsiadujące warstwy kryształu nie układają się dokładnie tak, jak powinny. Źródło: Greg Stewart/Krajowe Laboratorium Akceleratorów SLAC

„Do tej pory nikt nie był w stanie bezpośrednio zmierzyć, jak szybko te zaburzenia rozprzestrzeniają się w materiałach” – powiedziała. Jej zespół zastosował radiografię rentgenowską – podobnie jak w medycynie Opisali odkrycia w artykule badawczym opublikowanym 5 października w czasopiśmie Nauki.

W pogoni za prędkością dźwięku

Naukowcy debatują nad tym, czy turbulencje mogą przemieszczać się przez materiały szybciej niż dźwięk od prawie 60 lat. Z szeregu badań wynika, że ​​nie jest to możliwe. Jednak niektóre modele komputerów sugerują, że jest to możliwe, pod warunkiem, że zacznie poruszać się szybciej niż prędkość dźwięku.

Natychmiastowe osiągnięcie tej prędkości wymagałoby potężnego szoku. Po pierwsze, dźwięk przenika przez ciała stałe znacznie szybciej niż przez powietrze czy wodę, w zależności między innymi od rodzaju materiału i jego temperatury. Chociaż prędkość dźwięku w powietrzu ogólnie szacuje się na 761 mil na godzinę, w wodzie osiąga ona 5355 mil na godzinę, a w przypadku diamentu, najtwardszej substancji ze wszystkich, osiąga ona zdumiewającą prędkość 40 000 mil na godzinę.

Aby skomplikować sprawę, w ciałach stałych występują dwa rodzaje fal dźwiękowych. Fale podłużne są podobne do tych w powietrzu. Ponieważ jednak ciała stałe stawiają pewien opór przechodzeniu dźwięku, występują w nich również wolniej poruszające się fale, zwane poprzecznymi falami dźwiękowymi.

Wiedza, czy ultraszybkie turbulencje mogą przełamać którąkolwiek z tych barier dźwiękowych, jest ważna zarówno z naukowego, jak i praktycznego punktu widzenia. Kiedy zakłócenia przemieszczają się szybciej niż prędkość dźwięku, zachowują się zupełnie inaczej i prowadzą do nieoczekiwanych awarii, które nie zostały jeszcze zamodelowane. Bez pomiarów nikt nie wie, jakie szkody mogą spowodować te ultraszybkie zakłócenia.

„Jeśli materiał konstrukcyjny zawodzi bardziej katastrofalnie, niż ktokolwiek oczekiwał, ze względu na jego wysoki wskaźnik awaryjności, nie jest to dobrze” – powiedział Kento Katagiri, pracownik naukowy ze stopniem doktora w grupie badawczej i pierwszy autor badania. „Jeśli na przykład uskok przebije skałę podczas trzęsienia ziemi, może spowodować więcej szkód we wszystkim. Musimy wiedzieć więcej o tego typu katastrofalnej awarii. „

Dresselhaus-Marais dodała, że ​​wyniki tego badania „mogą wskazywać, że to, co myśleliśmy, że wiemy o najszybszym możliwym uszkodzeniu materiałów, było błędne”.

Najlepszy efekt popu

Aby uzyskać pierwsze bezpośrednie zdjęcia szybkości przemieszczania się turbulencji, Dresselhaus-Marais i jej współpracownicy przeprowadzili w Japonii eksperymenty z laserem rentgenowskim na swobodnych elektronach SACLA. Przeprowadzili eksperymenty na małych kryształach syntetycznego diamentu.

Aby uzyskać pierwsze bezpośrednie obrazy szybkości przemieszczania się turbulencji, badacze wykorzystali intensywną wiązkę lasera do przepuszczenia fal uderzeniowych przez kryształy diamentu. Następnie wykorzystali wiązkę lasera rentgenowskiego do wykonania serii zdjęć rentgenowskich formowania się i rozprzestrzeniania dyslokacji w skali czasu wynoszącej miliardowe części sekundy. Obrazy, które przypominają medyczne zdjęcia rentgenowskie ukazujące wnętrze ciała, zarejestrowano za pomocą detektora. Źródło: K. Katagiri/Uniwersytet Stanforda

Diament oferuje unikalną platformę do badania uszkodzeń materiałów krystalicznych, powiedział Katagiri. Po pierwsze, mechanizm deformacji jest prostszy niż obserwowany w metalach, co ułatwia interpretację trudnych eksperymentów z ultraszybkim obrazowaniem rentgenowskim. Powiedział: Żadnych innych rodzajów wad.

Kiedy spotykają się dwa zakłócenia, przyciągają się lub odpychają i generują więcej zakłóceń. Otwórz aluminiową puszkę napoju gazowanego Stop, a wiele zaburzeń już obecnych w pokrywie – powstałych podczas formowania jej w ostatecznej formie – oddziałuje na siebie i wytwarza nowe biliony zakłóceń, które kaskadowo prowadzą do absolutnie krytycznej awarii, gdy górna część obudowy wygina się i otwiera. Te interakcje i sposób ich zachowania regulują wszystkie właściwości mechaniczne materiałów, które obserwujemy.

„W diamencie występują tylko cztery rodzaje dyslokacji, podczas gdy na przykład w żelazie występują 144 różne możliwe typy dyslokacji” – mówi Dresselhaus-Marais.

Naukowcy stwierdzili, że diamenty mogą być znacznie twardsze niż metal. Ale podobnie jak puszka napoju gazowanego, nadal będzie się wyginać, tworząc miliardy dyslokacji, jeśli zostanie uderzona wystarczająco mocno.

Wykonywanie zdjęć rentgenowskich fal uderzeniowych

W SACLA zespół wykorzystał intensywne światło lasera do wygenerowania fal uderzeniowych w kryształach diamentu. Następnie wykonali serię ultraszybkich zdjęć rentgenowskich dyslokacji, które tworzą się i rozprzestrzeniają w skali czasu wynoszącej miliardowe części sekundy. Tylko lasery na swobodnych elektronach mogą dostarczać impulsy promieni rentgenowskich wystarczająco krótkie i jasne, aby uchwycić ten proces.

Początkowa fala uderzeniowa podzieliła się na dwa rodzaje fal, które kontynuowały podróż przez kryształ. Pierwsza fala, zwana falą sprężystą, chwilowo zdeformowała kryształ; Jego atomy natychmiast wróciły do ​​swoich pierwotnych pozycji, jak rozciągana i puszczana gumka. Druga fala, zwana falą plastyczną, trwale zniekształciła kryształ, tworząc drobne błędy w powtarzających się wzorach atomów tworzących strukturę kryształu.

To zdjęcie rentgenowskie – podobne do medycznego prześwietlenia rentgenowskiego, ale wykonane z dużą prędkością przy użyciu lasera rentgenowskiego – pokazuje fale uderzeniowe przemieszczające się przez kryształ diamentu. Fala pierwotna jest elastyczna. Następuje fala plastyczna, tworząc defekty w materiale zwane turbulencjami, które rozprzestrzeniają się w materiale z prędkością większą niż prędkość dźwięku. Strzałka pokazuje ścieżkę i kierunek dyslokacji, która pozostawiła po sobie defekt liniowy zwany błędem układania. To samo przemieszczenie pojawia się na końcu strzałki. Można zobaczyć inne wady układania, rozprzestrzeniające się z miejsca uderzenia lasera. Źródło: K. Katagiri/Uniwersytet Stanforda

Te małe przesunięcia lub dyslokacje tworzą „pęknięcia układające się w stosy”, w których sąsiednie warstwy kryształu poruszają się względem siebie, tak że nie układają się tak, jak powinny. Błędy układania rozprzestrzeniają się na zewnątrz od miejsca, w którym laser uderza w diament, a na przednim końcu każdego błędu układania następuje przemieszczanie się.

Korzystając z promieni rentgenowskich, naukowcy odkryli, że zakłócenia rozchodzą się w diamentie szybciej niż wolniejszy rodzaj fal dźwiękowych, czyli fale poprzeczne, co jest zjawiskiem nigdy wcześniej nie obserwowanym w żadnym materiale.

Teraz, jak powiedział Katagiri, zespół planuje powrócić do ośrodka rentgenowskiego na swobodnych elektronach, takiego jak SACLA lub Linac Coherent Light Source (LCLS) należącego do SLAC, aby sprawdzić, czy zakłócenia mogą przemieszczać się szybciej niż wyższa prędkość wzdłużna dźwięku w diamencie. , co będzie wymagało silniejszych wstrząsów laserowych. Jeśli przełamią tę barierę dźwięku, powiedział, zostaną uznane za prawdziwie naddźwiękowe.

Odniesienie: „Propagation of Transonic Dislocations in Diamond” autorstwa Kento Katagiri, Tatiana Bekoz, Lichao Fang, Bruno Albertazzi, Shunsuke Igashira, Yuichi Inubushi, Genki Kamimura, Ryusuke Kodama, Michel Koenig, Bernard Kozioszemski, Goro Masaoka, Kohei Mianshi, Hirotaka Nakamura, Masato Ota, Gabriel Rigon, Yuichi Sakawa, Takayoshi Sano, Frank Schoofs, Zoe J. Smith, Keiichi Sueda, Tadashi Togashi, Tommaso Vinci, Yifan Wang, Makina Yabashi, Toshinori Yabuchi, Liora E. Dresselhaus-Marais i Norimasa Ozaki, 5 października 2023 r., Nauki.
doi: 10.1126/science.adh5563

Leora Dresselhaus-Marais jest badaczką w Stanford Institute for Materials and Sciences (SIMES) w SLAC i Stanford PULSE Institute. Naukowcy z Uniwersytetu w Osace, Japoński Instytut Badań nad Promieniowaniem Synchrotronowym, RIKEN Wiosna-8 Centrum i Uniwersytet w Nagoi w Japonii; Laboratorium Krajowe Lawrence Livermore Departamentu Energii; Centrum Nauki Culham w Wielkiej Brytanii; École Polytechnique de France również przyczyniła się do tych badań. Główne fundusze pochodziły z Biura Badań Naukowych Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych.