تصور کنید یک توپ تنیس را روی تشک اتاق خواب انداخته اید. توپ تنیس تشک را کمی خم می کند، اما نه برای همیشه – توپ را به سمت بالا بردارید، و تشک به موقعیت و قدرت اولیه خود باز می گردد. دانشمندان این حالت را حالت کشسانی می نامند.
از سوی دیگر، اگر چیزی سنگین را رها کنید – مانند یخچال – این نیرو تشک را به حالتی که دانشمندان به آن حالت پلاستیکی می‌گویند فشار می‌آورد. حالت پلاستیکی، از این نظر، مشابه پارچ پلاستیکی شیر در یخچال شما نیست، بلکه یک بازآرایی دائمی ساختار اتمی یک ماده است. وقتی یخچال را خارج می‌کنید، تشک فشرده می‌شود و حداقل، ناراحت‌کننده است.
اما تغییر الاستیک-پلاستیک مواد بیشتر از راحتی تشک اهمیت دارد. درک اینکه وقتی یک ماده در سطح اتمی از حالت ارتجاعی به پلاستیک تحت فشارهای بالا تبدیل می‌شود، چه اتفاقی می‌افتد، می‌تواند به دانشمندان اجازه دهد تا مواد قوی‌تری برای آزمایش‌های فضاپیما و همجوشی هسته‌ای طراحی کنند.
تا به حال، دانشمندان برای گرفتن تصاویر واضح از تبدیل یک ماده به پلاستیسیته تلاش کرده‌اند، و آنها را در تاریکی رها می‌کنند که دقیقاً وقتی اتم‌های کوچک تصمیم می‌گیرند حالت ارتجاعی دنج خود را ترک کنند و به دنیای پلاستیک بپردازند، چه می‌کنند.
اکنون برای اولین بار، دانشمندان آزمایشگاه ملی شتابدهنده SLAC وزارت انرژی، تصاویری با وضوح بالا از یک نمونه تک کریستالی کوچک آلومینیومی را هنگام انتقال از حالت الاستیک به حالت پلاستیکی ثبت کرده اند. این تصاویر به دانشمندان این امکان را می‌دهد تا پیش‌بینی کنند که چگونه یک ماده در طی پنج تریلیونم ثانیه از پدیده‌هایی که در حال وقوع است، در معرض تبدیل پلاستیک قرار می‌گیرد. این تیم نتایج خود را امروز منتشر کرد ارتباطات طبیعت.
آخرین نفس یک کریستال
برای گرفتن تصاویری از نمونه کریستال آلومینیوم، دانشمندان نیاز به اعمال نیرویی داشتند، و بدیهی است که یخچال بیش از حد بزرگ بود. بنابراین در عوض، آنها از لیزر پرانرژی استفاده کردند که کریستال را به اندازه کافی محکم کوبید تا آن را از حالت ارتجاعی به پلاستیک براند.
همانطور که لیزر امواج ضربه ای ایجاد می کرد که کریستال را فشرده می کرد، دانشمندان یک پرتو الکترونی پرانرژی را با “دوربین الکترونی سریع” SLAC یا ابزار پراش الکترون فوق سریع مگا الکترون ولت (MeV-UED) از طریق آن فرستادند. این پرتو الکترونی هسته‌های آلومینیوم و الکترون‌های موجود در کریستال را پراکنده کرد و به دانشمندان اجازه داد تا ساختار اتمی آن را دقیقاً اندازه‌گیری کنند. دانشمندان چندین عکس فوری از نمونه گرفتند در حالی که لیزر به فشرده سازی آن ادامه می داد، و این رشته از تصاویر منجر به نوعی ویدیوی تلنگر شد – یک فیلم استاپ موشن از رقص کریستال در پلاستیک.
به طور خاص، عکس‌های فوری با وضوح بالا به دانشمندان نشان دادند که چه زمانی و چگونه نقص‌های خط در نمونه ظاهر شد – اولین نشانه‌ای که نشان می‌دهد یک ماده با نیرویی بیش از حد بزرگ برای بازیابی برخورد کرده است.
نقص های خط مانند رشته های شکسته روی یک راکت تنیس هستند. به عنوان مثال، اگر از راکت تنیس خود برای ضربه ملایم به توپ تنیس استفاده کنید، رشته های راکت شما کمی لرزش می کنند، اما به موقعیت اولیه خود باز می گردند. با این حال، اگر با راکت خود به توپ بولینگ ضربه بزنید، سیم ها از جای خود خارج می شوند و نمی توانند به عقب برگردند. به طور مشابه، با برخورد لیزر پرانرژی به نمونه بلور آلومینیوم، برخی از ردیف‌های اتم در کریستال از جای خود خارج شدند. ردیابی این جابجایی ها – نقص های خط – با استفاده از دوربین الکترونی MeV-UED، سفر الاستیک به پلاستیک کریستال را نشان داد.
میانژن مو، دانشمند SLAC، گفت که دانشمندان اکنون تصاویری با وضوح بالا از این نقص های خط دارند که نشان می دهد نقص ها با چه سرعتی رشد می کنند و چگونه حرکت می کنند.
مو گفت: “درک دینامیک تغییر شکل پلاستیک به دانشمندان این امکان را می دهد که نقص های مصنوعی را به ساختار شبکه مواد اضافه کنند.” این نقص‌های مصنوعی می‌توانند یک مانع محافظ برای جلوگیری از تغییر شکل مواد در فشارهای بالا در محیط‌های شدید ایجاد کنند.»
لحظه درخشش UED
کلید تصاویر سریع و واضح آزمایش‌کنندگان، الکترون‌های پرانرژی MeV-UED بود که به تیم اجازه می‌داد هر نیم ثانیه نمونه‌برداری کنند.
Xijie Wang، دانشمند برجسته در SLAC، گفت: “بیشتر مردم از انرژی‌های الکترونی نسبتاً کوچک در آزمایش‌های UED استفاده می‌کنند، اما ما از 100 برابر الکترون‌های پر انرژی در آزمایش خود استفاده می‌کنیم.” “در انرژی بالا، ذرات بیشتری را در یک پالس کوتاه تر دریافت می کنید که تصاویر سه بعدی با کیفیت عالی و تصویر کامل تری از فرآیند ارائه می دهد.”
محققان امیدوارند که درک جدید خود از پلاستیسیته را در کاربردهای علمی متنوع، مانند تقویت موادی که در آزمایش‌های همجوشی هسته‌ای در دمای بالا استفاده می‌شوند، اعمال کنند. زیگفرید گلنزر، مدیر علوم چگالی انرژی بالا، گفت که درک بهتر واکنش‌های مواد در محیط‌های شدید برای پیش‌بینی عملکرد آنها در یک راکتور همجوشی آینده ضروری است.
گلنزر گفت: “موفقیت این مطالعه امیدوار است انگیزه اجرای قدرت لیزر بالاتر برای آزمایش انواع بیشتری از مواد مهم را ایجاد کند.”
این تیم علاقه مند به آزمایش مواد برای آزمایشاتی است که در ITER Tokamak انجام خواهد شد، تأسیساتی که امیدوار است اولین تولید کننده انرژی همجوشی پایدار باشد.
MeV-UED ابزاری از تسهیلات کاربر منبع نور منسجم Linac (LCLS) است که توسط SLAC به نمایندگی از دفتر علوم DOE اداره می شود. بخشی از تحقیقات در مرکز فناوری‌های نانو یکپارچه در آزمایشگاه ملی لوس آلاموس، یک مرکز کاربر دفتر علوم DOE انجام شد. پشتیبانی توسط دفتر علوم DOE، تا حدی از طریق برنامه تحقیق و توسعه هدایت شده آزمایشگاهی در SLAC ارائه شد.