Defekty se šíří diamantem nadzvukovou rychlostí

Vady mohou materiál zesílit nebo způsobit jeho katastrofální selhání. Vědět, jak rychle cestují, může výzkumníkům pomoci porozumět věcem, jako jsou seismické trhliny, strukturální selhání a mikrovýroba.

Po urovnání půlstoletí diskusí výzkumníci zjistili, že drobné lineární defekty se mohou šířit hmotou rychleji než zvukové vlny.

Tyto čárové defekty neboli dislokace dodávají kovům jejich pevnost a zpracovatelnost, ale mohou také způsobit katastrofální selhání materiálů – což se stane pokaždé, když stisknete poutko na plechovce sody.

Skutečnost, že dokážou cestovat takovou rychlostí, dává vědcům nové ocenění pro mimořádné typy poškození, které mohou způsobit na široké škále materiálů v extrémních podmínkách – od hornin rozervaných zemětřesením až po ochranné materiály letadel deformované extrémním namáháním. Leora Dresselhaus-Marais, profesorka na Národní laboratoři akcelerátorů SLAC na katedře energetiky a Stanfordské univerzitě, která vedla studii s profesorem Norimasou Ozaki na univerzitě v Osace.

Rázová vlna, která prochází materiálem, může vytvořit defekty známé jako dislokace – drobné posuny v krystalu materiálu, kterým se šíří, a zanechávají za sebou to, co se nazývá vrstvení. Vlevo je nerušené pravidelné uspořádání atomů hmoty. Vpravo se dislokace pohybovaly materiálem zleva doprava, což vytvořilo chybu skládání (fialová), kdy sousední vrstvy krystalu nejsou zarovnány přesně tak, jak by měly. Kredit: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

„Až dosud nikdo nebyl schopen přímo změřit, jak rychle se tyto poruchy šíří prostřednictvím materiálů,“ řekla. Její tým použil rentgenovou radiografii — podobnou lékařské Zjištění popsali ve výzkumném článku publikovaném 5. října v časopise vědy.

Honba za rychlostí zvuku

Vědci diskutovali o tom, zda se turbulence mohou šířit materiály rychleji než zvuk, už téměř 60 let. Řada studií dospěla k závěru, že nemohou. Některé modely počítačů však naznačují, že je to možné za předpokladu, že se začne pohybovat rychleji, než je rychlost zvuku.

Okamžité získání této rychlosti by vyžadovalo masivní šok. Za prvé, zvuk se šíří pevnými látkami mnohem rychleji než vzduchem nebo vodou, mimo jiné v závislosti na povaze materiálu a jeho teplotě. Zatímco rychlost zvuku vzduchem se obecně odhaduje na 761 mil za hodinu, ve vodě dosahuje rychlosti 3 355 mil za hodinu a u diamantu, nejtvrdší substance ze všech, úžasných 40 000 mil za hodinu.

Abychom to zkomplikovali, existují dva typy zvukových vln v pevných látkách. Podélné vlny jsou podobné těm ve vzduchu. Ale protože pevné látky mají určitý odpor vůči průchodu zvuku, hostí také pomaleji se pohybující vlny známé jako příčné zvukové vlny.

Z vědeckého i praktického hlediska je důležité vědět, zda ultrarychlé turbulence mohou prolomit některou z těchto zvukových bariér. Když se poruchy pohybují rychleji než rychlost zvuku, chovají se velmi odlišně a vedou k neočekávaným poruchám, které ještě nebyly modelovány. Bez měření nikdo neví, jak velké škody by tato ultrarychlá rušení mohla způsobit.

„Pokud konstrukční materiál selže katastrofálněji, než kdokoli očekával kvůli jeho vysoké míře selhání, není to dobrá věc,“ řekl Kento Katagiri, postdoktorandský výzkumník ve výzkumné skupině a první autor studie. „Pokud se například během zemětřesení protrhne skála, mohlo by to způsobit větší škody na všem. Potřebujeme vědět více o tomto typu katastrofického selhání.“

Dresselhaus-Marais dodal, že výsledky této studie „by mohly naznačovat, že to, co jsme si mysleli, že víme o nejrychlejším možném selhání materiálů, bylo špatné.“

Pop top efekt

Aby získali první přímé obrázky toho, jak rychle se turbulence šíří, provedla Dresselhaus-Marais a její kolegové experimenty s rentgenovým laserem SACLA s volnými elektrony v Japonsku. Prováděli experimenty na malých krystalech syntetického diamantu.

Aby vědci získali první přímé snímky toho, jak rychle se turbulence šíří, použili intenzivní laserový paprsek k pohánění rázových vln skrz diamantové krystaly. Poté použili rentgenový laserový paprsek k vytvoření série rentgenových snímků dislokace, která se tvoří a šíří v časovém měřítku miliardtin sekundy. Snímky, které jsou podobné lékařským rentgenům, které odhalují vnitřek těla, byly zaznamenány na detektoru. Zdroj: K. Katagiri/Stanfordská univerzita

Diamond nabízí jedinečnou platformu pro studium toho, jak krystalické materiály selhávají, řekl Katagiri. Za prvé, mechanismus deformace je jednodušší než mechanismus pozorovaný u kovů, což usnadňuje interpretaci obtížných ultrarychlých rentgenových zobrazovacích experimentů. Řekl: Žádné jiné typy vad.

Když se setkají dvě poruchy, přitahují se nebo odpuzují a vytvářejí další poruchy. Otevřete hliníkovou plechovku sody Slitinaa mnoho poruch již přítomných ve víku – vytvořených, když bylo formováno do své konečné podoby – interaguje a vytváří nové poruchy po bilionech, které kaskádovitě přecházejí v absolutní kritické selhání, když se horní část pouzdra ohýbá a horní část se otevírá. Tyto interakce a jejich chování řídí všechny mechanické vlastnosti materiálů, které pozorujeme.

„V diamantu existují pouze čtyři typy dislokací, zatímco například železo má 144 různých možných typů dislokací,“ řekl Dresselhaus-Marais.

Vědci uvedli, že diamanty mohou být mnohem tvrdší než kov. Ale stejně jako plechovka sodovky se bude stále ohýbat vytvořením miliard dislokací, pokud na ni narazí dostatečně silně.

Zhotovování rentgenových snímků rázových vln

V SACLA tým použil intenzivní laserové světlo ke generování rázových vln v diamantových krystalech. Poté v podstatě pořídili sérii ultrarychlých rentgenových snímků dislokací, které se tvoří a šíří v časovém měřítku miliardtin sekundy. Pouze lasery s volnými elektrony mohou dodávat pulsy rentgenového záření dostatečně krátké a dostatečně jasné, aby zachytily tento proces.

Počáteční rázová vlna se rozdělila na dva typy vln, které dále putovaly krystalem. První vlna, nazývaná elastická vlna, dočasně deformovala krystal; Jeho atomy se okamžitě odrazily zpět do svých původních poloh, jako když se natahuje a uvolňuje gumička. Druhá vlna, známá jako plastická vlna, trvale deformovala krystal vytvořením drobných chyb v opakujících se vzorcích atomů, které tvoří krystalovou strukturu.

Tento rentgenový snímek – podobný lékařskému rentgenu, ale pořízený vysokou rychlostí pomocí rentgenového laseru – ukazuje rázové vlny procházející diamantovým krystalem. Primární vlna je elastická. Následuje plastická vlna, která vytváří defekty v materiálu zvané turbulence, které se šíří materiálem rychlostí vyšší než je rychlost zvuku. Šipka ukazuje cestu a směr dislokace, která po sobě zanechala lineární defekt zvaný stohovací chyba. Stejná dislokace se objeví na špičce šipky. Z místa laserového výboje lze vidět šířící se další stohovací chyby. Zdroj: K. Katagiri/Stanfordská univerzita

Tyto malé posuny nebo dislokace vytvářejí „hromadící se trhliny“, kde se sousední vrstvy krystalu vzájemně pohybují tak, aby se neseřadily tak, jak by měly. Stohovací chyby se šíří směrem ven z místa, kde laser dopadá na diamant, a na předním konci každé stohovací chyby je pohyblivá dislokace.

Pomocí rentgenových paprsků vědci zjistili, že poruchy se šíří diamantem rychleji než pomalejší typ zvukových vln, příčné vlny, což je jev, který se u žádného materiálu předtím neviděl.

Nyní, řekl Katagiri, tým plánuje návrat do rentgenového zařízení s volnými elektrony, jako je SACLA nebo SLAC Linac Coherent Light Source, LCLS, aby zjistil, zda se poruchy mohou šířit rychleji než vyšší podélná rychlost zvuku v diamantu. , což bude vyžadovat silnější laserové výboje. Pokud prolomí zvukovou bariéru, řekl, že budou považováni za skutečně nadzvukové.

Reference: “Propagation of Transonic Dislocations in Diamond” od Kento Katagiri, Tatiana Bekoz, Lichao Fang, Bruno Albertazzi, Shunsuke Igashira, Yuichi Inubushi, Genki Kamimura, Ryusuke Kodama, Michele Koenig, Bernard Koziosrotzemski, Goro Masaoka, Na Hiji M. 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 a Norimasa Ozaki, 5. října 2023, vědy.
doi: 10.1126/science.adh5563

Leora Dresselhaus-Marais je výzkumná pracovnice Stanfordského institutu pro materiály a vědy (SIMES) při SLAC a Stanfordského institutu PULSE. Výzkumníci z Ósacké univerzity, Japan Synchrotron Radiation Research Institute, RIKEN Jaro-8 Střed a Univerzita v Nagoji v Japonsku; Národní laboratoř Lawrence Livermore ministerstva energetiky; Culham Science Center ve Spojeném království; K tomuto výzkumu přispěla i École Polytechnique de France. Hlavní finanční prostředky pocházely z Úřadu vědeckého výzkumu amerického letectva.