Una nueva forma de observar esta deformación a medida que sucede puede ayudar a estudiar una amplia gama de fenómenos, desde impactos de meteoritos hasta cerámicas de alto rendimiento utilizadas en armaduras, así como la forma de proteger las naves espaciales de los impactos de polvo a alta velocidad.
Cuando son golpeados por una poderosa onda de choque, los materiales pueden cambiar su forma, una propiedad conocida como plasticidad, pero mantener su estructura atómica reticular. Ahora los científicos han usado el láser de rayos X en el Acelerador Nacional SLAC del Departamento de EnergíaLaboratorio para ver, por primera vez, cómo se deforma la estructura atómica de un material cuando se ve afectado por presiones casi tan extremas como las del centro de la Tierra.
Los investigadores dijeron que esta nueva forma de ver la deformación plástica a medida que ocurre puede ayudar a estudiar una amplia gama de fenómenos, como los impactos de meteoritos, los efectos de balas y otros proyectiles penetrantes y cerámicas de alto rendimiento utilizadas en armaduras, así como también cómopara proteger las naves espaciales de los impactos de polvo a alta velocidad e incluso cómo se forman nubes de polvo entre las estrellas.
Los experimentos tuvieron lugar en la estación experimental Materia en condiciones extremas MEC en la Fuente de luz coherente Linac LCLS de SLAC. Fueron dirigidos por Chris Wehrenberg, físico del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore del DOE, y se describieron en un artículo reciente.en Naturaleza .
"La gente ha estado creando estos estados de alta presión durante décadas, pero lo que no sabían hasta que MEC entró en línea es exactamente cómo estas altas presiones cambian los materiales: qué impulsa el cambio y cómo se deforma el material", dijo SLACcientífico del personal Bob Nagler, coautor del informe.
"LCLS es tan poderoso, con tantos rayos X en tan poco tiempo, que puede interrogar cómo está cambiando el material mientras está cambiando. El material cambia en solo una décima parte de una billonésima de segundo, yLCLS puede entregar suficientes rayos X para capturar información sobre esos cambios en un tiempo mucho más corto que eso ".
deformaciones atómicas escurridizas
El material que estudiaron aquí era una lámina delgada de tántalo, un elemento metálico azul grisáceo cuyos átomos están dispuestos en cubos. El equipo utilizó una forma policristalina de tántalo que tiene una textura natural, por lo que la orientación de estos cubos varía poco de un lugar a otropara colocar, lo que facilita ver ciertos tipos de interrupciones del choque.
Cuando este tipo de material cristalino es exprimido por un poderoso golpe, puede deformarse de dos maneras distintas: hermanamiento, donde las regiones pequeñas desarrollan estructuras reticulares que son imágenes especulares de las áreas circundantes, y deformación por deslizamiento, donde una secciónde los cambios de celosía y el desplazamiento se extiende, como una grieta que se propaga.
Pero si bien estos dos mecanismos son fundamentalmente importantes en la plasticidad, es difícil observarlos a medida que ocurre un shock. La investigación anterior había estudiado los materiales conmocionados después del hecho, ya que el material se recuperó, lo que introdujo complicaciones y condujo a interpretaciones contradictorias.
El tremendo choque de un pequeño retroceso
En este experimento, los científicos sacudieron un trozo de lámina de tantalio con un pulso de un láser óptico. Esto vaporiza un pequeño trozo de la lámina en un plasma caliente que se aleja de la superficie. El retroceso de este pequeño penacho crea enormes presionesen la lámina restante, hasta 300 gigapascales, que es tres millones de veces la presión atmosférica que nos rodea y comparable a la presión de 350 gigapascales en el centro de la Tierra, dijo Nagler.
Mientras esto sucedía, los investigadores probaron el estado del metal con pulsos láser de rayos X. Los pulsos son extremadamente cortos, solo 50 femtosegundos, o millonésimas de billonésima de segundo, largos, y como una cámara con unvelocidad de obturación muy rápida, pueden registrar la respuesta del metal con gran detalle.
Los rayos X rebotan en los átomos del metal y entran en un detector, donde crean un "patrón de difracción", una serie de anillos brillantes y concéntricos, que los científicos analizan para determinar la estructura atómica de la muestra.La difracción se ha utilizado durante décadas para descubrir las estructuras de materiales, biomoléculas y otras muestras y para observar cómo cambian esas estructuras, pero solo recientemente se ha utilizado para estudiar la plasticidad en materiales comprimidos por choque, dijo Wehrenberg.
Y esta vez los investigadores llevaron la técnica un paso más allá: analizaron no solo los patrones de difracción, sino también cómo se distribuyeron las señales de dispersión dentro de los anillos de difracción individuales y cómo su distribución cambió con el tiempo. Este nivel más profundo de análisis reveló cambios enLa orientación o textura del enrejado del tantalio, que tiene lugar en aproximadamente una décima parte de una milmillonésima de segundo, también mostró si el enrejado experimentaba un hermanamiento o se deslizaba sobre una amplia gama de presiones de choque, hasta el punto donde el metalEl equipo descubrió que a medida que aumentaba la presión, el tipo dominante de deformación cambiaba de hermanamiento a deformación por deslizamiento.
Wehrenberg dijo que los resultados de este estudio son directamente aplicables a los esfuerzos de Lawrence Livermore para modelar tanto la plasticidad como el tantalio a nivel molecular.
Estos experimentos, dijo, "están proporcionando datos con los que los modelos pueden compararse directamente para la evaluación comparativa o la validación. En el futuro, planeamos coordinar estos esfuerzos experimentales con experimentos relacionados en la Instalación Nacional de Encendido de LLNL que estudian la plasticidad a niveles aún mayorespresiones "
Además de LLNL y SLAC, los investigadores de la Universidad de Oxford, el Laboratorio Nacional de Los Alamos del DOE y la Universidad de York contribuyeron a este estudio. La financiación para el trabajo en SLAC provino de la Oficina de Ciencias del DOE. LCLS es un DOEFacilidad de usuario de la Oficina de Ciencias.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :