Defekty diamantov sa šíria rýchlejšie ako rýchlosť zvuku

Chyby môžu spôsobiť, že materiál bude pevnejší alebo spôsobí jeho katastrofálne zlyhanie. Vedieť, ako rýchlo cestujú, môže výskumníkom pomôcť pochopiť veci, ako sú praskliny spôsobené zemetrasením, štrukturálne poruchy a presná výroba.

Po polstoročí diskusií výskumníci zistili, že drobné lineárne defekty sa môžu šíriť materiálom rýchlejšie ako zvukové vlny.

Tieto lineárne defekty alebo dislokácie dodávajú kovom ich pevnosť a spracovateľnosť, ale môžu tiež spôsobiť katastrofálne zlyhanie materiálov – čo sa stane vždy, keď stlačíte uško na plechovke sódy.

Skutočnosť, že môžu cestovať tak rýchlo, dáva vedcom nové ocenenie neobvyklých typov poškodenia, ktoré môžu spôsobiť širokému spektru materiálov v extrémnych podmienkach – od zemetrasení lámajúcich skaly až po extrémy. Od stresu po deformované materiály rovinných štítov, povedala profesorka Leora. Dresselhaus-Marais z Národného laboratória urýchľovačov SLAC Ministerstva energetiky a Stanfordskej univerzity, ktorý viedol štúdiu s profesorom Norimasom Ozakim na univerzite v Osake.

Rázová vlna prechádzajúca materiálom môže vytvoriť defekty známe ako dislokácie – drobné variácie v kryštáloch materiálu, ktoré sa ním šíria a zanechávajú za sebou to, čo je známe ako stohovacie chyby. Vľavo je nerušené pravidelné usporiadanie atómov materiálu. Vpravo sa dislokácie presunuli materiálom zľava doprava, čím sa vytvorila vrstvená chyba (fialová), kde susedné vrstvy kryštálov nie sú zoradené tak, ako by mali. Kredit: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

„Až doteraz nikto nebol schopný priamo zmerať, ako rýchlo sa tieto dislokácie šíria materiálmi,“ povedal. Jeho tím použil röntgenovú rádiografiu – podobnú lekárskej Výsledky opísali v článku publikovanom 5. októbra v časopise Veda,

naháňať rýchlosť zvuku

Vedci už takmer 60 rokov diskutujú o tom, či sa dislokácie môžu pohybovať materiálmi rýchlejšie ako zvuk. Niekoľko štúdií dospelo k záveru, že to nemôžu urobiť. Niektoré počítačové modely však naznačujú, že áno, môžu – za predpokladu, že sa začnú pohybovať rýchlejšie ako zvuk.

Okamžite ich priviesť na túto rýchlosť by vyžadovalo obrovský šok. Po prvé, zvuk sa šíri oveľa rýchlejšie cez pevné látky ako cez vzduch alebo vodu, čo závisí okrem iných faktorov od povahy a teploty materiálu. Zatiaľ čo rýchlosť zvuku vo vzduchu sa všeobecne udáva ako 761 mph, cez vodu je to 3 355 mph a neuveriteľných 40 000 mph v diamante, najtvrdšom materiáli.

Čo je ešte komplikovanejšie, v pevných materiáloch existujú dva typy zvukových vĺn. Pozdĺžne vlny sú ako vietor. Ale pretože pevné látky kladú malý odpor dráhe zvuku, prijímajú aj pomalšie sa pohybujúce vlny nazývané priečne zvukové vlny.

Vedieť, či ultrarýchle dislokácie môžu prelomiť niektorú z týchto zvukových bariér, je dôležité z hľadiska fundamentálnej vedy aj z praktického hľadiska. Keď sa dislokácie pohybujú rýchlejšie ako rýchlosť zvuku, správajú sa úplne inak a vedú k neočakávaným poruchám, ktoré boli doteraz len modelované. Bez meraní nikto nevie, aké škody by tieto ultrarýchle dislokácie mohli spôsobiť.

„Ak konštrukčný materiál zlyhá katastrofálnejšie, ako sa očakávalo v dôsledku vyššej miery zlyhania, potom to nie je také dobré,“ povedal Kento Katagiri, postdoktorand vo výskumnej skupine a prvý autor článku. Napríklad, ak je to spôsobené lámaním skál pri zemetrasení, môže spôsobiť väčšie škody na všetkom. „Musíme sa dozvedieť viac o tomto type katastrofického zlyhania.“

Výsledky tejto štúdie, Dresselhaus-Marais, povedal, „môže naznačovať, že to, čo sme si mysleli, že vieme o najrýchlejšom možnom zlyhaní materiálu, bolo nesprávne.“

pop-top efekt

Na získanie prvých priamych snímok o tom, ako rýchlo sa môžu dislokácie šíriť, Dresselhaus-Marais a kolegovia vykonali experimenty na röntgenovom laseri SACLA s voľnými elektrónmi v Japonsku. Vykonával experimenty na malých kryštáloch syntetického diamantu.

Na získanie prvých priamych obrázkov o tom, ako rýchlo sa môžu dislokácie šíriť, vedci použili intenzívny laserový lúč na poháňanie rázových vĺn cez diamantové kryštály. Potom pomocou röntgenového laserového lúča vytvorili sériu röntgenových snímok dislokácií, ktoré sa tvoria a šíria v časovej škále miliardtín sekundy. Zábery, podobné lekárskym röntgenom, ktoré odhaľujú vnútro tela, boli zaznamenané na detektore. Kredit: K. Katagiri/Stanfordská univerzita

Diamond poskytuje jedinečnú platformu na štúdium toho, ako kryštalické materiály zlyhávajú, povedal Catagiri. Po prvé, jeho deformačný mechanizmus je jednoduchší ako deformácia pozorovaná v kovoch, čo uľahčuje interpretáciu týchto náročných ultrarýchlych röntgenových zobrazovacích experimentov. „Aby sme pochopili mechanizmy poškodenia, musíme na našich obrázkoch identifikovať prvky, ktoré sú jednoznačne dislokácie, a nie iné typy defektov,“ povedal.

Keď sa stretnú dve dislokácie, navzájom sa priťahujú alebo odpudzujú a vytvárajú ešte viac dislokácií. Otvorte hliníkovú nádobu na sódu Kovové zliatinya mnohé dislokácie už vo viečku – keď bolo vytvarované do svojej konečnej podoby – spolupôsobia a spôsobujú vznik nových dislokácií v biliónoch, ku ktorým dochádza, keď sa vrchná časť plechovky ohne a vrchná časť sa otvorí. úplné vážne zlyhanie. , Tieto interakcie a ich správanie riadia všetky mechanické vlastnosti materiálov, ktoré pozorujeme.

„V diamante sú len štyri typy dislokácií, zatiaľ čo napríklad v železe je 144 rôznych možných typov dislokácií,“ povedal Dresselhaus-Marais.

Vedci tvrdia, že diamant môže byť oveľa tvrdší ako kov. Ale ako plechovka sódy, ak sa ňou dostatočne silno zatrasie, stále sa ohne a vytvorí miliardy dislokácií.

Vytváranie röntgenových snímok rázových vĺn

V SACLA tím použil intenzívne laserové svetlo na generovanie rázových vĺn v diamantových kryštáloch. Potom urobili sériu ultrarýchlych röntgenových snímok dislokácií, ktoré sa tvoria a šíria v časovom meradle v podstate miliardtiny sekundy. Iba röntgenové lasery s voľnými elektrónmi môžu poskytnúť röntgenový pulz dostatočne krátky a dostatočne jasný na zachytenie tohto procesu.

Počiatočná rázová vlna sa rozdelila na dva typy vĺn, ktoré pokračovali v ceste kryštálom. Prvá vlna, nazývaná elastická vlna, dočasne zdeformovala kryštál; Jeho atómy sa okamžite vrátili do svojich pôvodných pozícií ako gumička, ktorá bola stiahnutá a uvoľnená. Druhá vlna, známa ako plastická vlna, trvalo deformuje kryštál vytváraním malých chýb v opakujúcom sa vzore atómov, ktoré tvoria kryštálovú štruktúru.

Tento röntgenový röntgenový obraz – podobný lekárskemu röntgenovému lúču, ale nasnímaný ultrarýchlou rýchlosťou röntgenovým laserom – ukazuje rázové vlny prechádzajúce diamantovým kryštálom. Počiatočná vlna je elastická. Plastické vlny vytvárajú defekty v materiáli nazývané dislokácie, ktoré sa šíria materiálom rýchlejšie ako rýchlosť zvuku. Šípka ukazuje cestu a smer dislokácie, ktorá za sebou zanechala lineárnu poruchu nazývanú stohovacia chyba. Samotná dislokácia je viditeľná na konci šípky. Z miesta laserového výboja možno vidieť ďalšie chyby stohovania. Kredit: K. Katagiri/Stanfordská univerzita

Tieto malé variácie alebo dislokácie vytvárajú „zlomenné chyby“, kde sa susedné vrstvy kryštálov navzájom posúvajú, takže sa nezoraďujú tak, ako by mali. Stohovacie chyby sa šíria smerom von z miesta, kde laser zasiahne diamant, a na prednej hrane každej stohovacej chyby sa vytvorí dynamická dislokácia.

s

Teraz, Catagiri povedal, tím plánuje vrátiť sa k tomu, čo by mohlo byť rýchlejšie, čo by si vyžadovalo ešte silnejšie laserové výboje. Ak a keď prelomia túto zvukovú bariéru, budú považované za skutočne nadzvukové, povedal.

Odkaz: „Propagácia transsonickej dislokácie v diamante“ od Kento Katagiri, Tatiana Pikuz, Lichao Feng, Bruno Albertazzi, Shunsuke Egashira, Yuichi Inubushi, Genki Kamimura, Ryosuke Kodama, Michel Koenig, Bernard Koziewiemski, Goru Masaoka, Hirot Miayana, Kohei Miayani, Kohei Miayani . Ota, Gabriel Rigon, Yuichi Sakawa, Takayoshi Sano, Frank Shoofs, Zoe J. Smith, Keiichi Sueda, Tadashi Togashi, Tommaso Vinci, Yifan Wang, Makina Yabashi, Toshinori Yabuchi, Leora E. Dresselhaus-Marais a Norimasa Ozaki, 5. októbra 2023, Veda,
DOI: 10.1126/science.adh5563

Leora Dresselhaus-Marais je vyšetrovateľkou Stanfordského inštitútu pre materiály a vedy (SIMES) a Stanfordského pulzného inštitútu pri SLAC. Výskumníci na univerzite v Osake, Japan Synchrotron Radiation Research Institute, RIKEN jar-8 stred a Univerzita v Nagoji V Japonsku; Národné laboratórium DOE Lawrence Livermore; Culham Science Center vo Veľkej Británii; A k tomuto výskumu prispela aj Ecole Polytechnique vo Francúzsku. Hlavné financovanie pochádzalo z Úradu pre vedecký výskum amerického letectva.