Z badań wynika, że ​​defekty rozprzestrzeniają się w diamentach szybciej niż prędkość dźwięku

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 opancerzenia 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.

„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 Oni Opis wyników dziś w 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 dźwięk.

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.

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.

„Aby zrozumieć mechanizmy uszkodzeń, musimy określić, które cechy na naszych obrazach są jednoznacznymi dyslokacjami, a nie innymi rodzajami defektów” – powiedział.

Kiedy spotykają się dwa zakłócenia, przyciągają się lub odpychają i generują więcej zakłóceń. Otwórz puszkę po napojach ze stopu aluminium, a przekonasz się, że wiele zaburzeń już obecnych w pokrywie – powstałych, gdy została uformowana w ostateczny kształt – oddziałuje na siebie i generuje nowe zakłócenia przez biliony, które prowadzą kaskadą do absolutnie krytycznej awarii, gdy górna część puszki wygina się i otwiera się. 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.

Te małe przesunięcia lub dyslokacje tworzą „pęknięcia układające się w stosy”, w których sąsiednie warstwy kryształu przesuwają się względem siebie, więc 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.

Leora Dresselhaus-Marais jest badaczką w Stanford Institute for Materials and Sciences (SIMES) w SLAC i Stanford PULSE Institute. Naukowcy z Uniwersytetu w Osace, Japońskiego Instytutu Badań nad Promieniowaniem Synchrotronowym, Centrum RIKEN SPring-8 i Uniwersytetu Nagoya w Japonii; Laboratorium Krajowe Lawrence Livermore Departamentu Energii; Centrum Nauki Culham w Wielkiej Brytanii; École Polytechnique de France również przyczyniła się do tych badań.