Atomfilm af smeltende guld kan hjælpe med at designe materialer til fremtidige fusionsreaktorer

Forskere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory har optaget den mest detaljerede atomfilm af guldsmeltning efter at være blevet sprængt af laserlys. Den indsigt, de fik i, hvordan metaller flydende har potentiale til at hjælpe udviklingen af ​​fusionskraftreaktorer, stålforarbejdningsanlæg, rumfartøjer og andre applikationer, hvor materialer skal kunne modstå ekstreme forhold i lange perioder.

Kernefusion er den proces, der driver stjerner som solen. Forskere ønsker at kopiere denne proces på Jorden som en relativt ren og sikker måde at generere stort set ubegrænsede mængder energi på. Men for at bygge en fusionsreaktor, de har brug for materialer, der kan overleve at blive udsat for temperaturer på et par hundrede millioner grader Fahrenheit og intens stråling produceret i fusionsreaktionen.

"Vores undersøgelse er et vigtigt skridt i retning af bedre forudsigelser af de virkninger, ekstreme forhold har på reaktormaterialer, herunder tungmetaller såsom guld, "sagde SLAC -postdoktorforsker Mianzhen Mo, en af ​​hovedforfatterne til en undersøgelse, der i dag blev offentliggjort i Videnskab . "Beskrivelsen på atomniveau af smelteprocessen vil hjælpe os med at lave bedre modeller af den korte og langsigtede skade i disse materialer, såsom revnedannelse og materialefejl. "

Undersøgelsen brugte SLACs højhastighedselektronikkamera-et instrument til ultrahurtig elektrondiffraktion (UED)-som er i stand til at spore nukleare bevægelser med en lukkerhastighed på omkring 100 milliontedele af en milliarddel af et sekund, eller 100 femtosekunder.

Smeltning i lommer

Teamet opdagede, at smeltningen startede på overfladerne af nanoserede korn inden for guldprøven - områder, hvor guldatomerne pænt ligger op i krystaller - og ved grænserne mellem dem.

"Denne adfærd var blevet forudsagt i teoretiske undersøgelser, men vi har nu faktisk observeret det for første gang, "sagde Siegfried Glenzer, leder af SLAC's High Energy Density Science Division og undersøgelsens hovedforsker. "Vores metode giver os mulighed for at undersøge adfærd af ethvert materiale i ekstreme miljøer i atomiske detaljer, som er nøglen til at forstå og forudsige materialegenskaber og kunne åbne nye veje til design af fremtidige materialer. "

For at studere smelteprocessen, forskerne fokuserede laserstrålen på en prøve af guldkrystaller og så, hvordan atomkernerne i krystallerne reagerede, ved hjælp af UED -instrumentets elektronstråle som sonde. Ved at sy sammen snapshots af atomstrukturen taget på forskellige tidspunkter efter laserhittet, de lavede en stop-motion film af de strukturelle ændringer over tid.

"Cirka 7 til 8 billioner sekunder af et sekund efter laserblitzen, vi så det faste stof begynde at blive til en væske, "sagde SLAC -postdoktorforsker Zhijang Chen, en af ​​undersøgelsens hovedforfattere. "Men det faste stof flydede ikke overalt på samme tid. I stedet for vi observerede dannelsen af ​​lommer af væske omgivet af massivt guld. Denne blanding udviklede sig over tid, indtil der kun var væske tilbage efter cirka en milliarddel af et sekund. "

Fantastisk 'Electron Vision'

For at komme til dette detaljeringsniveau, forskerne havde brug for et specielt kamera som SLACs UED -instrument, som er i stand til at se atomernes sammensætning af materialer og er hurtig nok til at spore ekstremt hurtige bevægelser af atomkerner.

Og fordi smelteprocessen er ødelæggende, et andet træk ved instrumentet var også helt afgørende.

"I vores eksperiment, prøven smeltede og fordampede til sidst "sagde acceleratorfysikeren Xijie Wang, leder af SLAC's UED -initiativ. "Men selvom vi var i stand til at afkøle det, så det igen bliver et fast stof, det ville ikke have nøjagtig samme startstruktur. Så, for hver ramme i atomfilmen ønsker vi at indsamle alle de strukturelle oplysninger i et enkeltskudsforsøg-en enkelt passage af elektronstrålen gennem prøven. Vi var i stand til at gøre netop det, fordi vores instrument bruger en meget energisk elektronstråle, der afgiver et stærkt signal. "