Rystet og omrørt:Forskere fanger deformationseffekten af ​​chokbølger på et materiale

At forstå, hvordan chokbølger påvirker strukturer, er afgørende for fremskridt inden for materialevidenskabelig forskning, herunder sikkerhedsprotokoller og nye overflademodifikationer. Brug af røntgendiffraktionssonder, forskere ved Institute of Materials Structure Science i KEK, Tokyo of Tech, Kumamoto Universitet, og University of Tsukuba studerede deformationen af ​​polykrystallinsk aluminiumsfolie, når den blev udsat for en laserdrevet stødbølge.

Grundlaget for ingeniørarbejde ligger i at forstå og manipulere materialers struktur for at udnytte deres egenskaber på kreative måder. Interaktioner mellem materialer finder sted via udveksling af kræfter, så at forudsige et materiales evne til at modstå en kraft, og hvordan det forplanter sig, er centralt for at udvikle strukturer med øget styrke.

Hvis en øjeblikkelig stærk kraft, der virker på et materiale resulterer i en stødbølge, atomer kan blive forskudt eller forskydes. Som et gummibånd, hvis den ydre kraft ikke er for betydelig, de indre kræfter kan modstå, og materialet kan vende tilbage til sin oprindelige tilstand (elastisk deformation). Men ud over en vis grænse, kraften kan resultere i permanent skade eller endda strukturelt svigt (plastisk deformation) af materialet.

Enhedsceller er den mindste regelmæssigt gentagne tredimensionelle atomstruktur, der afspejler den overordnede symmetri af en krystal, og at studere deres fordrivelse kan give rig indsigt. Imidlertid, at observere processer på atomær skala er meget vanskeligt. Det er her røntgendiffraktion kommer til undsætning. Forestil dig et kamera, der giver dig mulighed for at fange begivenheder, der finder sted på atomare skala. Når et røntgenbillede støder på et atom, bliver det absorberet og derefter genudsendt af atomet. Dette resulterer i, at bølgen bliver spredt eller diffrakteret på en ordnet måde, på grund af det ordnede arrangement af atomer i krystallen. Afhængig af størrelsen, rumlig indretning, og afstanden mellem atomerne, bølgen er spredt i forskellige retninger med forskellig intensitet. Dermed, atomstrukturen fanges som signaler, som et fotografi af krystallen under og efter stødbølgen passerer. Dette kan bruges til at afkode krystaldeformation.

Motiveret af dette, forskere udførte et eksperiment for at observere deformationsprocessen af ​​polykrystallinsk aluminiumsfolie, når de udsættes for en laserdrevet stødbølge. Denne forstyrrelse blev derefter fanget som diffraktionspletter af en røntgenstråle, som samtidigt kunne sammenlignes med diffraktionsmønsteret af præ-chokkrystallen (fig. 1). De fandt ud af, at store korn af aluminium blev roteret, komprimeret elastisk, og reduceret i størrelse langs bølgeretningen. Da bølgen forplantede sig dybere ind i prøven, diffraktionspletterne udglattede og udvidede, og de oprindelige diffraktionspletter begyndte at forsvinde, erstattet af et nyt sæt spots (fig. 2). "Vi observerede kornforfining og strukturelle ændringer af det polykrystallinske metal, som steg med udbredelsen af ​​den laserdrevne chokbølge. Det her, på tur, muliggjorde studiet af mikrostrukturel deformation i plastiske stødstrømme fra atom- til mesoskalaniveau, " udtalte Dr. Kohei Ichiyanagi fra High Energy Accelerator Research Organization og Jichi Medical University.

Nutidig forskning af post-chok strukturelle ændringer af materialer undlader ofte at fremhæve processen med bølgespredning og fordelingen af ​​defekter. Denne forskning ændrer status quo ved at give en metode til at observere kornforfining og strukturelle ændringer, inklusive overfladehårdhed og modifikation, af polykrystallinsk metal under stødbølgebelastning. optimistisk med hensyn til potentialet i denne forskning, Professor Kazutaka G. Nakamura fra Tokyo Institute of Technology sagde:"Vores teknik vil være værdifuld til at afsløre mekanismer for mikrostrukturelle ændringer for forskellige legeringer og keramik baseret på dynamiske processer."

Sikkert, dette viser de kreative måder, vi kan udvide rækkevidden af, hvad vi er i stand til at se:denne gang, det er sådan røntgenstråler kan bruges til at fange, hvordan partikler rystes og omrøres!