Forskere bruger SLAC -instrument til at lære, hvad der sker med silicium under intenst pres

Elasticitet, et objekts evne til at hoppe tilbage til sin oprindelige form, er en universel egenskab i faste materialer. Men når man skubber for langt, materialer ændres på uigenkaldelige måder:Gummibånd klikker i halve, metalstel bøjer eller smelter, og telefonskærme går i stykker.

For eksempel, når silicium, et element, der er rigeligt i jordskorpen, udsættes for ekstrem varme og tryk, en indledende "elastisk" stødbølge bevæger sig gennem materialet, forlader det uændret, efterfulgt af en "uelastisk" chokbølge, der irreversibelt transformerer materialets struktur.

Ved hjælp af en ny teknik, forskere var i stand til direkte at se og forestille sig denne proces. Til deres overraskelse, de opdagede, at det inkluderede et ekstra trin, der ikke var set før:Efter den første elastiske stødbølge, der rejste gennem silicium, en anden elastisk bølge dukkede op, før den sidste uelastiske bølge ændrede materialets egenskaber.

Deres resultater blev offentliggjort i Videnskab fremskridt sidste uge.

"Vi opdagede, at denne transformation er mere nuanceret end tidligere antaget, "siger Shaughnessy Brennan Brown, en postdoktor ved Stanford University og forskerassistent ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, der ledede analysen. "Vi belyste en helt ny funktion, der potentielt kan observeres i andre materialer."

Ser gennem et nyt objektiv

Ud over at bidrage til en dybere forståelse af silicium, et materiale, der er vigtigt inden for områder som teknik, geofysik og plasmafysik, denne nye teknik belyser vejen til at løse problemer på andre områder.

"Den platform, Shaughnessy udviklede, er også nyttig på områder som meteoritik, "siger medforfatter Arianna Gleason-Holbrook, en personaleforsker ved Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) på SLAC. "Lad os sige en stor metalimpaktor, som den resterende kerne på en eller anden planet, rammer en jordbaseret planet. Denne teknik giver os mulighed for at zoome ind og rumligt gå gennem historien om den slags stød for at besvare en række vigtige spørgsmål, som hvordan livet bliver leveret til en ny planet, eller hvad der sker under asteroide -kollisioner. "

"Det er næsten som om du har haft sløret syn i et stykke tid, " hun sagde, "men så tager du briller på, og verden åbner sig. Det, vi har gjort i dette papir, er at give en ny linse til materialegenskaber."

Fange bølgen

Hos SLAC, forskere kan se, hvad der sker dybt i prøvernes mave ved at ramme dem med ultrahurtige røntgenlaserpulser fra Linac Coherent Light Source (LCLS), og derefter bruge de mønstre, der dannes af de spredte røntgenstråler til at rekonstruere billeder.

På instrumentet Matter in Extreme Conditions (MEC), forskere sprængte prøverne med intense pulser fra en anden højeffektlaser, inden de ramte dem med røntgenstråler for at se, hvordan materialer reagerer på ekstrem varme og tryk. I mange forsøg, forskere placerer disse to lasere næsten parallelt med hinanden. Dette hjælper dem med at forstå, hvordan materialet ændrer sig over tid, men giver dem ikke et klart billede af, hvordan disse strukturelle transformationer faktisk ser ud.

Et centralt træk ved den teknik, der blev brugt i dette papir, er, at forskerne udnyttede en ny laserplacering, der var blevet brugt i tidligere papirer, optagelse af impulser fra den anden laser vinkelret på røntgenpulser fra LCLS. Dette forskellige udsigtspunkt tillod dem at se undvigende strukturelle ændringer af silicium, da de opstod, sådan har de afbildet den anden bølge, der bevæger sig gennem silicium.

Bred vifte af skalaer

Denne nye eksperimentelle opsætning tillod også forskerne at forstørre det, de så, øge opløsningen af ​​deres billeder og give dem mulighed for at få et holistisk billede af, hvad der skete med silicium på en lang række skalaer, fra det mikroskopiske til det makroskopiske.

At følge op på, forskerne vil gentage eksperimentet under meget mere ekstreme forhold og anvende det på en meget bredere klasse af materialer for at finde ud af, om de stadig ser dette ekstra trin, hvilket vil føre til en bedre forståelse af, hvordan materialer transformeres.

"Vi har forsøgt at forstå de grundlæggende processer for materiel transformation uden altid at se hele billedet, "Brennan Brown siger." Mange forskere bruger smarte teknikker til at gribe problemet an fra forskellige vinkler. Skønheden ved denne nye platform er dens klarhed, direkte og omfang. "