Atomisk mekanisme til historisk materialetransformation

(Phys.org) – SLAC-ledede forskere har foretaget de første direkte målinger af en lille og ekstrem hurtig atomarrangering, forbundet med en klasse kaldet martensitiske transformationer, der dramatisk ændrer egenskaberne for mange vigtige materialer, såsom at fordoble stålets hårdhed og få form-hukommelseslegeringer til at vende tilbage til en tidligere form.

Brug af højtrykschokbølger og ultrakorte røntgenimpulser ved Linac Coherent Light Source (LCLS), forskerne observerede detaljerne om, hvordan denne transformation ændrede den indre atomare struktur af et modelsystem, perfekte nanokrystaller af cadmiumsulfid. I processen, de så for første gang, at nanokrystaller passerer gennem en teoretisk forudsagt mellemliggende tilstand, når de gennemgår denne ændring.

"At designe og konstruere nye materialer med ønskede egenskaber, vi vil gerne forstå de detaljerede mikroskopiske veje, de følger, når de transformerer sig, "sagde teamets leder, Aaron Lindenberg, en adjunkt ved SLAC og Stanford. "Den martensitiske transformation er især vigtig, da den forekommer i så mange vigtige materialer. Vores teknik skulle i sidste ende også hjælpe os med at se, hvad der sker i andre atomtransformationer."

Teamets forskningsresultater blev offentliggjort sidste måned i Nano bogstaver .

Opkaldt efter den banebrydende tyske metallurg Adolf Martens, den martensitiske transformation involverer kollektive kortdistancebevægelser af atomerne i et krystallinsk faststof, når det reagerer på stress. Det er blevet undersøgt i mere end 100 år efter, at Martens og kolleger identificerede, at en ændret krystallinsk form i hurtigt afkølet højkulstofstål var ansvarlig for dets forbedrede hårdhed. Mens de faktiske atombevægelser i martensitiske transformationer typisk er mindre end et nanometer, de kan have stor indflydelse på et materiales egenskaber. Ud over at hærde stål og lette formhukommelseslegeringer, den martensitiske transformation ligger til grund for så forskellige fænomener som geologisk deformation på grund af pladetektonik og den mekanisme, hvormed invaderende vira punkterer cellernes vægge.

De ramte en metalfolie med en intens infrarød laserpuls, får det til at eksplodere og sende et højtryksstød, der styrter ned gennem nanokrystallerne. Presset fra den forbigående chokbølge startede transformationen. LCLS røntgenpulser blev timet til at ramme prøven forskellige splitsekunders gange efter chokket, producere stop-action røntgendiffraktionsbilleder, der viste de præcise positioner af nanokrystallens atomer under forskellige stadier af transformationen, som tog kun 50 billioner sekunder af et sekund at fuldføre. Forskerne varierede også laserintensiteten for at skabe stød af forskellige spidstryk.

Teamet fandt ud af, at de transformationer, der blev forårsaget af stødene ved højere tryk, gik direkte fra sekskantede til kubiske, mens dem, der blev udløst af de lavere trykstød, dannede en midlertidig mellemtilstand. Beregnede simuleringer af andre forskere havde forudsagt mellemproduktet, sagde Lindenberg. Men dets fravær i højtrykstilfældet kan være en indikation på, at stærke stød virker som katalysatorer, sænke transformationens energibarriere, så den kan fortsætte direkte.

"Dette sæt eksperimenter viser styrken ved at bruge LCLS, lasere og nanokrystaller med høj effekt for at undersøge de hurtige atomomlægninger, der er så vigtige for at skabe materialegenskaber, "Sagde Lindenberg." Indtil nu, der har kun været teoretiske beregninger af, hvordan disse transformationer skulle forekomme. Nu kan vi lære på egen hånd, hvad der virkelig sker."