По-силни материали за ядрен синтез могат да бъдат възможни благодарение на снимки на малък алуминиев кристал


Абстрактна технология Графен Материал Концепция

Лазер, компресиращ алуминиев кристал, осигурява по-ясна представа за пластичната деформация на материала, което потенциално води до проектирането на по-здрави материали за ядрен синтез и щитове на космически кораби.

Представете си, че пускате топка за тенис върху матрак в спалнята. Тенис топката ще огъне малко матрака, но не за постоянно – вдигнете топката обратно и матракът се връща в първоначалното си положение и сила. Учените наричат ​​това еластично състояние.

От друга страна, ако пуснете нещо тежко – като хладилник – силата избутва матрака в това, което учените наричат ​​​​пластично състояние. Пластичното състояние в този смисъл не е същото като пластмасовата кана за мляко във вашия хладилник, а по-скоро е постоянно пренареждане на атомната структура на материала. Когато извадите хладилника, матракът ще бъде компресиран и меко казано неудобен.

Но еластично-пластичното изместване на материала се отнася повече от комфорта на матрака. Разбирането на това какво се случва с материал на атомно ниво, когато той преминава от еластичен към пластмасов под високо налягане, може да позволи на учените да проектират по-здрави материали за космически кораби и експерименти за ядрен синтез.

Досега учените не успяха да заснемат ясни образи на трансформацията на материала в пластичност в миналото, като ги държаха в неведение за това какво правят микроскопичните атоми, когато решат да напуснат своето уютно еластично състояние и да пътуват в пластмасовия свят.

Учените от Националната ускорителна лаборатория SLAC на Министерството на енергетиката са заснели снимки с висока разделителна способност на малка алуминиева монокристална проба, докато преминава от еластично в пластмасово състояние за първи път. Изображенията ще позволят на учените да предскажат как се държи даден материал, докато претърпява пластична трансформация в рамките на пет трилионни от секундата от възникващите явления. Констатациите бяха публикувани наскоро в списанието Природни комуникации.

Последното издишване на кристал

Учените трябваше да приложат сила върху пробата от алуминиев кристал, за да направят изображения, а хладилникът очевидно беше твърде голям. Вместо това те използваха високоенергиен лазер, за да ударят кристала достатъчно силно, за да промени състоянието му от еластично в пластмасово.

Учените са използвали бързата „електронна камера“ на SLAC или инструмент за мегаелектронволтова ултрабърза електронна дифракция (MeV-UED), за да изпратят високоенергиен електронен лъч през кристала, докато лазерът произвежда ударни вълни, които го компресират. Разсейването на този електронен лъч от алуминиеви ядра и електрони в кристала позволи на учените да определят точно атомната структура. Докато лазерът пристъпваше към компресиране на пробата, учените направиха няколко моментни снимки, което доведе до нещо като филм на флип-книга – филм със спиране на движението на танца на кристала в пластичността.

По-конкретно, снимките с висока разделителна способност показаха на учените кога и как се появяват дефекти на линията в пробата – първият знак, че материалът е бил ударен със сила, твърде голяма, за да се възстанови.

Дефектите на линията са като скъсани струни на тенис ракета. Например, ако използвате ракетата си за тенис, за да ударите леко тенис топка, струните на ракетата ще вибрират малко, но ще се върнат в първоначалното си положение. Въпреки това, ако ударите топка за боулинг с ракетата си, струните ще се изместят и няма да могат да отскочат. По същия начин, когато високоенергийният лазер удари пробата от алуминиевия кристал, някои редове от атоми в кристала се изместиха от мястото си. Проследяването на тези измествания – дефекти на линията – с помощта на електронната камера на MeV-UED показа пътуването на кристала от еластичност към пластмаса.

Сега учените разполагат с изображения с висока разделителна способност на тези дефекти на линията, които разкриват колко бързо растат дефектите и как се движат, след като се появят, каза ученият от SLAC Мианжен Мо.

„Разбирането на динамиката на пластичната деформация ще позволи на учените да добавят изкуствени дефекти към структурата на решетката на материала“, каза Мо. „Тези изкуствени дефекти могат да осигурят защитна бариера, за да предпазят материалите от деформация при високо налягане в екстремни среди.

Моментът на UED да блесне

Ключът към бързите и ясни изображения на експериментаторите бяха високоенергийните електрони на MeV-UED, които позволиха на екипа да прави пробни изображения на всеки половин секунда.

„Повечето хора използват сравнително малки енергии на електрони в експерименти с UED, но ние използваме 100 пъти повече енергични електрони в нашия експеримент“, каза Xijie Wang, изтъкнат учен от SLAC. “При висока енергия получавате повече частици в по-кратък импулс, което осигурява 3-измерни изображения с отлично качество и по-пълна картина на процеса.”

Изследователите се надяват да приложат новото си разбиране за пластичността в различни научни приложения, като укрепващи материали, които се използват в експерименти с ядрен синтез при висока температура. Спешно е необходимо по-добро разбиране на реакциите на материалите в екстремни среди, за да се предвиди тяхната производителност в бъдещ термоядрен реактор, каза Зигфрид Гленцер, директор на науката за висока енергийна плътност.

„Надяваме се, че успехът на това проучване ще мотивира прилагането на по-високи лазерни мощности за тестване на по-голямо разнообразие от важни материали“, каза Гленцер.

Екипът се интересува от тестване на материали за експерименти, които ще бъдат извършени в ITER Tokamak, съоръжение, което се надява да бъде първото, което произвежда енергия за продължителен синтез.

MeV-UED е инструмент на потребителското устройство на Linac Coherent Light Source (LCLS), управлявано от SLAC от името на Службата за наука на DOE. Част от изследването е извършено в Центъра за интегрирани нанотехнологии в Националната лаборатория в Лос Аламос, потребителско съоръжение на DOE Office of Science. Подкрепата беше предоставена от Службата за наука на DOE, отчасти чрез програмата за лабораторно насочени изследвания и развитие в SLAC.

Справка: „Свръхбърза визуализация на зараждащата се пластичност в динамично компресирана материя“ от Mianzhen Mo, Minxue Tang, Zhijiang Chen, J. Ryan Peterson, Xiaozhe Shen, John Kevin Baldwin, Mungo Frost, Mike Kozina, Alexander Reid, Yongqiang E Wang, Juncheng Адриан Декамп, Бенджамин К. Офори-Окай, Ренкай Ли, Шенг-Нян Луо, Сиджи Уанг и Зигфрид Гленцер, 25 февруари 2022 г., Природни комуникации.
DOI: 10.1038/s41467-022-28684-z