Studimi tregon se defektet përhapen përmes diamantit më shpejt se shpejtësia e zërit

Pas një gjysmë shekulli debati, studiuesit kanë zbuluar se defektet e vogla lineare mund të përhapen përmes një materiali më shpejt se sa valët e zërit.

Këto defekte lineare, ose dislokime, janë ato që u japin metaleve forcën dhe punueshmërinë e tyre, por ato gjithashtu mund të bëjnë që materialet të dështojnë në mënyrë katastrofike – gjë që ndodh sa herë që hapni skedën tërheqëse në një kanaçe me gaz.

Fakti që ata mund të udhëtojnë kaq shpejt u jep shkencëtarëve një vlerësim të ri për llojet e pazakonta të dëmtimeve që mund t’i bëjnë një gamë të gjerë materialesh në kushte ekstreme – nga shkëmbi i copëtuar nga një këputje tërmeti deri te materialet mbrojtëse të avionëve të deformuara nga stresi ekstrem , tha Leora Dresselhaus-Marais, një profesore në Laboratorin Kombëtar të Përshpejtuesit SLAC të Departamentit të Energjisë dhe në Universitetin e Stanfordit, e cila bashkëdrejtoi studimin me profesoreshën Norimasa Ozaki në Universitetin e Osakës.

“Deri më tani, askush nuk ka qenë në gjendje të matë drejtpërdrejt se sa shpejt përhapen këto dislokime përmes materialeve,” tha ajo. Ekipi i saj përdori radiografinë me rreze X – të ngjashme me rrezet X mjekësore që zbulojnë brendësinë e trupit – për të matur shpejtësinë e dislokimeve të përhapura përmes diamantit, duke dhënë mësime që duhet të zbatohen edhe për materiale të tjera. Ata përshkruan rezultatet sot në Science .

Shkencëtarët kanë debatuar nëse dislokimet mund të udhëtojnë nëpër materiale më shpejt se zëri për gati 60 vjet. Një sërë studimesh arritën në përfundimin se nuk munden. Por disa modele kompjuterike treguan se po, ata munden – me kusht që të fillonin të lëviznin me shpejtësi më të madhe se zëri.

Arritja e tyre në çast deri në këtë shpejtësi do të kërkonte një tronditje të jashtëzakonshme. Për një gjë, zëri udhëton shumë më shpejt përmes materialeve të ngurta sesa përmes ajrit ose ujit, në varësi të natyrës dhe temperaturës së materialit, ndër faktorët e tjerë. Ndërsa shpejtësia e zërit përmes ajrit jepet përgjithësisht si 761 mph, është 3,355 mph përmes ujit dhe 40,000 mph në diamant, materiali më i fortë nga të gjithë.

Duke i komplikuar gjërat edhe më shumë, ekzistojnë dy lloje të valëve të zërit në trupat e ngurtë. Valët gjatësore janë si ato në ajër. Por për shkak se trupat e ngurtë bëjnë njëfarë rezistence ndaj kalimit të tingullit, ato gjithashtu mbajnë valë me lëvizje më të ngadalta të njohura si valë zanore tërthore.

Të dish nëse dislokimet ultra të shpejta mund të thyejnë njërën prej këtyre barrierave të zërit është e rëndësishme si nga pikëpamja themelore shkencore ashtu edhe nga pikëpamja praktike. Kur dislokimet lëvizin më shpejt se shpejtësia e zërit, ato sillen krejt ndryshe dhe rezultojnë në dështime të papritura që deri më tani janë modeluar vetëm. Pa matje, askush nuk e di se sa dëm mund të bëjnë këto dislokime ultra të shpejta.

“Nëse një material strukturor dështon në mënyrë më katastrofike sesa pritej kushdo për shkak të shkallës së lartë të dështimit, kjo nuk është aq e mirë,” tha Kento Katagiri, një studiues postdoktoral në grupin kërkimor dhe autori i parë i punimit. “Nëse është një çarje në shkëmb gjatë një tërmeti, për shembull, mund të shkaktojë më shumë dëme në gjithçka. Ne duhet të mësojmë më shumë për këtë lloj dështimi katastrofik.”

Rezultatet e këtij studimi, shtoi Dresselhaus-Marais, “mund të sugjerojnë se ajo që menduam se dinim për dështimin më të shpejtë të materialeve ishte e gabuar.”

Për të marrë imazhet e para të drejtpërdrejta se sa shpejt mund të udhëtojnë dislokimet, Dresselhaus-Marais dhe kolegët e saj kryen eksperimente në lazerin me elektron të lirë me rreze X SACLA në Japoni. Ata bënë eksperimente në kristale të vogla të diamantit sintetik.

Diamond ofron një platformë unike për të studiuar se si materialet kristalore dështojnë, tha Katagiri. Për një gjë, mekanizmi i tij i deformimit është më i thjeshtë se ai i vërejtur në metale, duke e bërë më të lehtë interpretimin e këtyre eksperimenteve sfiduese të imazhit me rreze X ultra të shpejtë.

“Për të kuptuar mekanizmat e dëmtimit, ne duhet të identifikojmë veçoritë në imazhet tona që janë dislokime të paqarta, dhe jo lloje të tjera defektesh,” tha ai.

Kur dy dislokime takohen, ato tërheqin ose zmbrapsin njëra-tjetrën dhe gjenerojnë edhe më shumë dislokime. Hapni një kanaçe me sode të bërë nga një aliazh alumini , dhe zhvendosjet e shumta që janë tashmë në kapak – të krijuara kur u formua në formën e tij përfundimtare – ndërveprojnë dhe shkaktojnë zhvendosje të reja nga triliona, të cilat kalojnë në një dështim kritik absolut. pjesa e sipërme e kutisë përkulet dhe pjesa e sipërme e kutisë hapet. Këto ndërveprime dhe mënyra se si ato sillen rregullojnë të gjitha vetitë mekanike të materialeve që vëzhgojmë.

“Në diamantin, ekzistojnë vetëm katër lloje të dislokimeve, ndërsa hekuri, për shembull, ka 144 lloje të ndryshme të mundshme të dislokimeve,” tha Dresselhaus-Marais.

Diamanti mund të jetë shumë më i fortë se metali, thanë studiuesit. Por njësoj si një kanaçe me gaz, ajo ende do të përkulet duke formuar miliarda dislokime nëse tronditet mjaftueshëm.

Në SACLA, ekipi përdori dritë intensive lazer për të gjeneruar valë goditëse në kristalet e diamantit. Më pas ata morën në thelb një seri imazhesh ultra të shpejta me rreze X të dislokimeve që formoheshin dhe përhapeshin në një shkallë kohore prej të miliardave të sekondës. Vetëm lazerët me elektron të lirë me rreze X mund të ofrojnë impulse me rreze X mjaft të shkurtër dhe mjaftueshëm të shndritshëm për të kapur këtë proces.

Vala fillestare e goditjes u nda në dy lloje valësh që vazhduan të udhëtonin nëpër kristal. Vala e parë, e quajtur valë elastike, deformoi përkohësisht kristalin; atomet e tij u kthyen menjëherë në pozicionet e tyre origjinale, si një brez gome që është shtrirë dhe lëshuar. Vala e dytë, e njohur si një valë plastike, deformoi përgjithmonë kristalin duke krijuar gabime të vogla në modelet e përsëritura të atomeve që përbëjnë strukturën kristalore.

Këto zhvendosje të vogla, ose dislokime, krijojnë “gabimet e grumbullimit” ku shtresat ngjitur të kristalit zhvendosen në lidhje me njëra-tjetrën, në mënyrë që të mos rreshtohen ashtu siç duhet. Gabimet e grumbullimit përhapen nga jashtë nga vendi ku lazeri goditi diamantin dhe ka një zhvendosje lëvizëse në majën kryesore të çdo defekti të grumbullimit.

Me rrezet X, studiuesit zbuluan se zhvendosjet u përhapën përmes diamantit më shpejt se shpejtësia e llojit më të ngadaltë të valëve të zërit, valët tërthore – një fenomen që nuk ishte parë kurrë në asnjë material më parë.

Tani, tha Katagiri, ekipi planifikon të kthehet në një strukturë me elektron të lirë me rreze X, të tilla si SACLA ose Burimi Koherent i Dritës i SLAC, LCLS, për të parë nëse dislokimet mund të udhëtojnë më shpejt se shpejtësia më e lartë gjatësore e zërit në diamant . , e cila do të kërkojë goditje edhe më të fuqishme lazer. Nëse dhe kur e thyejnë atë pengesë zanore , tha ai, ata do të konsiderohen vërtet supersonikë.

Leora Dresselhaus-Marais është një hetuese në Institutin Stanford për Materiale dhe Shkenca (SIMES) në SLAC dhe Institutin Stanford PULSE. Studiues nga Universiteti i Osakës, Instituti i Kërkimeve të Rrezatimit Sinkrotron të Japonisë, Qendra RIKEN SPring-8 dhe Universiteti Nagoya në Japoni; Laboratori Kombëtar i DOE Lawrence Livermore; Culham Science Center në MB; dhe École Polytechnique në Francë gjithashtu kontribuan në këtë kërkim.