據(jù)悉，更強的材料可能會隨著塑料流動的新圖像而綻放。
想象一下，把一個網(wǎng)球扔到臥室的床墊上。網(wǎng)球會使床墊略微彎曲，但不是永久彎曲——把球撿起來，床墊就會恢復(fù)到原來的位置和強度?？茖W(xué)家稱之為彈性狀態(tài)。
如果扔下另一些重的東西，比如冰箱，這個力會把床墊推到科學(xué)家所說的塑料狀態(tài)。當(dāng)把冰箱拿開的時候，床墊會被壓縮。從這個意義上說，塑料狀態(tài)并不像你冰箱里的塑料牛奶罐，而是一種物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)的永久重新排列。
激光泵浦?電子探針實驗和Al單晶在環(huán)境(未壓縮)條件下的衍射圖的結(jié)構(gòu)。
但一種材料的彈塑性轉(zhuǎn)變關(guān)注的不僅僅是床墊的舒適度。了解在原子水平上，當(dāng)一種材料在高壓下從彈性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄詴r會發(fā)生什么，可以讓科學(xué)家為航天器和核聚變實驗設(shè)計更強的材料。
到目前為止，科學(xué)家們一直在努力捕捉一種材料轉(zhuǎn)變成可塑性的清晰圖像，這讓他們對微小原子決定離開舒適的彈性狀態(tài)，進(jìn)入塑料世界時，它們到底在做什么一無所知。
現(xiàn)在，來自美國能源部SLAC國家加速器實驗室的科學(xué)家們首次捕捉到了一個微小的鋁單晶樣品從彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)時的高分辨率圖像。這些圖像將使科學(xué)家們能夠在現(xiàn)象發(fā)生的5萬億分之一秒內(nèi)預(yù)測材料在經(jīng)歷塑料轉(zhuǎn)變時的行為。該團(tuán)隊今天在《自然通訊》上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。
(110)單晶Al在4.3±0.4 J cm?2激光驅(qū)動壓縮下的衍射圖樣演化。
水晶的最后一口氣
為了捕捉鋁晶體樣品的圖像，科學(xué)家們需要施加一個力。因此，他們使用了高能激光，以足夠的力度敲打晶體，使其從彈性變?yōu)樗芰稀?/p>
當(dāng)激光產(chǎn)生的沖擊波壓縮晶體時，科學(xué)家們用SLAC的高速“電子攝像機(jī)”(MeV-UED)設(shè)備發(fā)送一束高能電子束穿過晶體。電子束從晶體中的鋁原子核和電子中散射出來，使科學(xué)家能夠精確地測量它的原子結(jié)構(gòu)。當(dāng)激光繼續(xù)壓縮樣品時，科學(xué)家們對其進(jìn)行了多次快照，這一連串的圖像形成了一種翻書式的視頻——一種定格動畫電影，記錄了晶體的可塑性。
更具體地說，這些高分辨率的快照向科學(xué)家們展示了樣品中線條缺陷出現(xiàn)的時間和方式——這是材料受到無法恢復(fù)的巨大力量撞擊的第一個跡象。
UED實驗(填充圓)和MD模擬(線)得到的(110)單晶Al在激光驅(qū)動壓縮下的應(yīng)變演化。
當(dāng)高能激光擊中鋁晶體樣品時，晶體中的一些原子排移位了。利用MeV-UED的電子攝像機(jī)跟蹤這些變化——線路缺陷——顯示了晶體從彈性到塑性的過程。
SLAC的科學(xué)家Mianzhen Mo說，科學(xué)家們現(xiàn)在有這些線狀缺陷的高分辨率圖像，揭示了這些缺陷生長的速度以及它們出現(xiàn)后的移動方式。
“了解塑性變形的動力學(xué)將允許科學(xué)家在材料的晶格結(jié)構(gòu)中添加人工缺陷?！盡o說，“這些人工缺陷可以提供一個保護(hù)屏障，防止材料在極端環(huán)境下的高壓變形。”
UED閃耀的時刻
實驗人員快速、清晰的圖像的關(guān)鍵是MeV-UED的高能電子，這使得研究小組每半秒就能采集圖像樣本。
“大多數(shù)人在UED實驗中使用的是相對較小的電子能量，但我們在我們的實驗中使用的是能量高100倍的電子.”SLAC的著名科學(xué)家Wang說,“在高能的情況下，你在更短的脈沖中得到更多的粒子，這就提供了高質(zhì)量的三維圖像和更完整的過程圖像?！?/p>
研究人員希望將他們對塑性的新理解應(yīng)用到各種科學(xué)應(yīng)用中，比如用于高溫核聚變實驗的增強材料。高能量密度科學(xué)主任Siegfried Glenzer說，我們迫切需要更好地了解材料在極端環(huán)境中的反應(yīng)，以預(yù)測它們在未來聚變反應(yīng)堆中的表現(xiàn)。Glenzer說:“這項研究的成功將有望推動更高的激光功率，以測試更多種類的重要材料?！?/p>
該團(tuán)隊對將在ITER托卡馬克進(jìn)行的實驗材料測試感興趣，該設(shè)施希望成為第一個產(chǎn)生持續(xù)聚變能源的設(shè)施。
激光驅(qū)動壓縮下(110)單晶Al在4.3±0.4 J cm?2的位錯動力學(xué)。
MeV-UED是線性相干光源(LCLS)用戶設(shè)備的一種儀器，由SLAC代表美國能源部科學(xué)辦公室操作。部分研究是在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的納米技術(shù)集成中心進(jìn)行的，該中心是美國能源部科學(xué)辦公室的一個用戶設(shè)施。美國能源部科學(xué)辦公室提供了支持，部分是通過SLAC的實驗室指導(dǎo)研究和發(fā)展計劃。
來源：Ultrafast visualization of incipient plasticity in dynamicallycompressed matter ，Nature Communications，10.1038/s41467-022-28684-z
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