Ser defekter under overfladen, mens de bevæger sig

En videnskabsmand og samarbejdspartnere fra Lawrence Livermore National Laboratory har demonstreret det første "defektmikroskop" nogensinde, der kan spore, hvordan populationer af defekter dybt inde i makroskopiske materialer bevæger sig kollektivt.

Forskningen, optræder i dag i Videnskab fremskridt , viser et klassisk eksempel på en forskydning (liniedefekt) grænse, demonstrerer derefter, hvordan de samme defekter bevæger sig eksotisk lige ved kanten af ​​smeltetemperaturer.

"Dette arbejde er et stort skridt fremad for materialevidenskab, fysik og beslægtede områder, da det giver en unik ny måde at se de 'mellemliggende skalaer', der forbinder mikroskopiske defekter med de bulkegenskaber, de forårsager, "sagde Leora Dresselhaus-Marais, en tidligere Lawrence -stipendiat og nu adjunkt i materialevidenskab og teknik ved Stanford University.

At forbinde et massemateriales mikroskopiske defekter til dets makroskopiske egenskaber er et ældgammelt problem inden for materialevidenskab. Langtrækkende interaktioner mellem dislokationer vides at spille en nøglerolle i, hvordan materialer deformeres eller smelter, men forskere har indtil nu manglet værktøjer til at forbinde disse dynamikker med de makroskopiske egenskaber.

Defekter ligger til grund for mange af de mekaniske, termiske og elektroniske egenskaber af materialer. Et fremtrædende eksempel er forskydningen, som er en udvidet lineær defekt i atomgitteret, der gør det muligt for krystallinske materialer at permanent ændre deres form under belastning. Sortimentet af hårdhed og bearbejdelighed i duktile materialer opstår på grund af, hvordan dislokationerne kan bevæge sig og interagere.

I den nye forskning, teamet brugte tidsopløst mørke feltrøntgenmikroskopi (DFXM) til direkte at visualisere, hvordan dislokationer bevæger sig og interagerer over hundredvis af mikrometer dybt inde i bulk aluminium. Med film i realtid, de viste, at den termisk aktiverede bevægelse og vekselvirkninger af dislokationer, der udgør en grænse, og viser, hvordan svækkede bindingskræfter destabiliserer strukturen ved 99 procent af smeltetemperaturen.

Teamet løste den individuelle og kollektive bevægelse af dislokationerne i en dislokationsgrænse (DB) under overfladen af ​​enkeltkrystalaluminium. Deres billeder kortlægger, hvordan DB migrerer langs en meget lavvinklet grænse, da den opvarmes fra 97 procent til 99 procent af smeltetemperaturen (660 grader Celsius). De zoomede derefter ind på, hvordan dislokationer kommer ind og forlader grænsen, får to DB -segmenter til at samles og stabilisere sig til en sammenhængende struktur. Da DB efterfølgende migrerer og øger sin afstand mellem dislokationer, de observerede, hvordan grænsen destabiliserede.

"Ved at visualisere og kvantificere termisk aktiveret dynamik, der tidligere var begrænset til teori, vi demonstrerer en ny klasse bulkmålinger, der nu er tilgængelig med tidsopløst DFXM, tilbyder vigtige muligheder på tværs af materialevidenskab, "Sagde Dresselhaus-Marais.

Teamet omfatter også forskere fra Danmarks Tekniske Universitet, Nevada National Security Site, CEA Grenoble, Universität für Bodenkultur Wien i Wien og European Synchrotron Radiation Facility. Arbejdet blev finansieret af LLNL's Lawrence Fellowship og finansiering fra Laboratory Directed Research and Development -programmet.