Под воздействием мощной ударной волны материалы могут изменить свою форму — свойство, известное как пластичность, — но при этом сохранить свою решетчатую атомную структуру. Теперь ученые использовали рентгеновский лазер в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики, чтобы впервые увидеть, как деформируется атомная структура материала под воздействием давления, почти такого же экстремального, как в центре Земли.
Исследователи заявили, что этот новый способ наблюдения за пластической деформацией, как она происходит, может помочь изучить широкий спектр явлений, таких как удары метеоров, воздействие пуль и других проникающих снарядов и высокопроизводительной керамики, используемой в доспехах, а также способы защиты космический корабль от высокоскоростных столкновений пыли и даже то, как облака пыли образуются между звездами.Эксперименты проводились на экспериментальной станции «Материя в экстремальных условиях» (MEC) на базе когерентного источника света (LCLS) компании SLAC. Их возглавлял Крис Веренберг, физик из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса при Министерстве энергетики, и они были описаны в недавней статье в Nature.
«Люди создавали эти состояния с действительно высоким давлением в течение десятилетий, но чего они не знали, пока не появилась MEC, так это то, как именно эти высокие давления изменяют материалы — что движет этими изменениями и как материал деформируется», — сказал штатный научный сотрудник SLAC. Боб Наглер, соавтор отчета.«LCLS настолько эффективен, с таким количеством рентгеновских лучей за такое короткое время, что он может исследовать, как изменяется материал, в то время как он изменяется.
Материал изменяется всего за одну десятую миллиардной доли секунды, а LCLS может доставить достаточно рентгеновских лучей, чтобы получить информацию об этих изменениях за гораздо более короткое время, чем это. "Неуловимые атомные деформацииМатериалом, который они здесь изучали, была тонкая фольга из тантала, сине-серого металлического элемента, атомы которого расположены в кубах. Команда использовала поликристаллическую форму тантала с естественной текстурой, поэтому ориентация этих кубиков мало меняется от места к месту, что позволяет легче увидеть определенные типы разрушений от удара.Когда этот тип кристаллического материала сжимается мощным ударом, он может деформироваться двумя различными способами: двойникование, когда в небольших областях образуются решетчатые структуры, которые являются зеркальным отображением структур в окружающих областях, и деформация скольжения, когда часть решетка сдвигается, и смещение распространяется, как растущая трещина.
Но хотя эти два механизма фундаментально важны для пластичности, их трудно наблюдать, когда происходит сотрясение. Предыдущие исследования изучали шокирующие материалы после того, как материал восстанавливается, что внесло сложности и привело к противоречивым интерпретациям.Потрясающий шок малейшей отдачиВ этом эксперименте ученые ударили по кусочку танталовой фольги импульсом оптического лазера.
Это превращает небольшой кусочек фольги в горячую плазму, которая улетает от поверхности. По словам Наглера, отдача этого крошечного шлейфа создает огромное давление в оставшейся фольге — до 300 гигапаскалей, что в три миллиона раз превышает атмосферное давление вокруг нас и сравнимо с давлением 350 гигапаскалей в центре Земли.
Пока это происходило, исследователи исследовали состояние металла с помощью рентгеновских лазерных импульсов. Импульсы очень короткие — всего 50 фемтосекунд, или миллионные доли миллиардной секунды, длинные — и, как камера с очень короткой выдержкой, они могут записывать реакцию металла с мельчайшими подробностями.Рентгеновские лучи отражаются от атомов металла и попадают в детектор, где они создают «дифракционную картину» — серию ярких концентрических колец, которые ученые анализируют, чтобы определить атомную структуру образца.
По словам Веренберга, на протяжении десятилетий дифракция рентгеновских лучей использовалась для обнаружения структур материалов, биомолекул и других образцов, а также для наблюдения за тем, как эти структуры меняются, но только недавно она использовалась для изучения пластичности ударно-сжатых материалов.И на этот раз исследователи пошли еще дальше: они проанализировали не только дифракционные картины, но и то, как сигналы рассеяния распределялись внутри отдельных дифракционных колец и как их распределение менялось с течением времени.
Этот более глубокий уровень анализа выявил изменения в ориентации решетки или текстуры тантала, происходящие примерно за одну десятую миллиардной секунды. Это также показало, подвергалась ли решетка двойникованию или скольжению в широком диапазоне ударных давлений — вплоть до точки плавления металла. Команда обнаружила, что по мере увеличения давления преобладающий тип деформации изменился с двойникования на деформацию скольжения.Веренберг сказал, что результаты этого исследования напрямую применимы к усилиям Лоуренса Ливермора по моделированию пластичности и тантала на молекулярном уровне.
Эти эксперименты, по его словам, «предоставляют данные, с которыми модели можно напрямую сравнивать для сравнительного анализа или проверки. В будущем мы планируем координировать эти экспериментальные усилия с соответствующими экспериментами на Национальном центре зажигания LLNL, которые изучают пластичность при еще более высоких давлениях. "В дополнение к LLNL и SLAC, исследователи из Оксфордского университета, Лос-Аламосской национальной лаборатории Министерства энергетики и Йоркского университета внесли свой вклад в это исследование.
Финансирование работы в SLAC поступило от Управления науки Министерства энергетики США. LCLS — это пользовательский объект Управления науки Министерства энергетики США.