Stärkere Materialien könnten mit neuen Bildern des plastischen Fließens aufblühen

Stellen Sie sich vor, Sie lassen einen Tennisball auf eine Matratze im Schlafzimmer fallen. Der Tennisball verbiegt die Matratze ein wenig, aber nicht dauerhaft – heben Sie den Ball wieder hoch und die Matratze kehrt in ihre ursprüngliche Position und Stärke zurück. Wissenschaftler nennen dies einen elastischen Zustand.

Wenn Sie andererseits etwas Schweres wie einen Kühlschrank fallen lassen, drückt die Kraft die Matratze in einen plastischen Zustand, den Wissenschaftler nennen. Der plastische Zustand in diesem Sinne ist nicht dasselbe wie das Plastikmilchkännchen in Ihrem Kühlschrank, sondern eine permanente Neuordnung der atomaren Struktur eines Materials. Wenn Sie den Kühlschrank entfernen, wird die Matratze komprimiert und, gelinde gesagt, unbequem.

Aber die elastisch-plastische Verschiebung eines Materials betrifft mehr als den Matratzenkomfort. Zu verstehen, was mit einem Material auf atomarer Ebene passiert, wenn es unter hohem Druck von elastisch zu plastisch übergeht, könnte es Wissenschaftlern ermöglichen, stärkere Materialien für Raumfahrzeuge und Kernfusionsexperimente zu entwickeln.

Bisher hatten Wissenschaftler Mühe, klare Bilder von der Umwandlung eines Materials in Plastizität aufzunehmen, und ließen sie im Dunkeln darüber, was genau winzige Atome tun, wenn sie sich entscheiden, ihren gemütlichen elastischen Zustand zu verlassen und sich in die Welt der Kunststoffe zu wagen.

Jetzt haben Wissenschaftler des SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums erstmals hochauflösende Bilder einer winzigen Aluminium-Einkristallprobe beim Übergang vom elastischen in den plastischen Zustand aufgenommen. Die Bilder werden es den Wissenschaftlern ermöglichen, innerhalb von fünf Billionstel Sekunden nach dem Auftreten des Phänomens vorherzusagen, wie sich ein Material verhält, wenn es einer plastischen Umwandlung unterzogen wird. Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse heute in Naturkommunikation.

Der letzte Atemzug eines Kristalls

Um Bilder der Aluminiumkristallprobe aufzunehmen, mussten die Wissenschaftler Kraft aufwenden, und ein Kühlschrank war offensichtlich zu groß. Stattdessen verwendeten sie einen Hochenergielaser, der den Kristall hart genug hämmerte, um ihn von elastisch zu plastisch zu drücken.

Als der Laser Stoßwellen erzeugte, die den Kristall komprimierten, schickten die Wissenschaftler einen hochenergetischen Elektronenstrahl mit SLACs schneller „Elektronenkamera“ oder Megaelektronenvolt-Ultrafast-Electron-Diffraction (MeV-UED)-Instrument durch ihn hindurch. Dieser Elektronenstrahl wurde an Aluminiumkernen und Elektronen im Kristall gestreut, was es Wissenschaftlern ermöglichte, seine atomare Struktur genau zu messen. Die Wissenschaftler machten mehrere Schnappschüsse der Probe, während der Laser sie weiter komprimierte, und diese Reihe von Bildern führte zu einer Art Daumenkino-Video – einem Stop-Motion-Film des Tanzes des Kristalls in die Plastizität.

Genauer gesagt zeigten die hochauflösenden Schnappschüsse den Wissenschaftlern, wann und wie Liniendefekte in der Probe auftraten – das erste Anzeichen dafür, dass ein Material mit einer zu großen Kraft getroffen wurde, um sich davon zu erholen.

Linienfehler sind wie gerissene Saiten bei einem Tennisschläger. Wenn Sie beispielsweise mit Ihrem Tennisschläger einen Tennisball leicht schlagen, vibrieren die Saiten Ihres Schlägers ein wenig, kehren aber in ihre ursprüngliche Position zurück. Wenn Sie jedoch mit Ihrem Schläger eine Bowlingkugel schlagen, verformen sich die Saiten und können nicht zurückprallen. Als der hochenergetische Laser auf die Aluminiumkristallprobe traf, verschob sich in ähnlicher Weise einige Atomreihen im Kristall. Die Verfolgung dieser Verschiebungen – der Liniendefekte – mit der Elektronenkamera von MeV-UED zeigte die Reise des Kristalls von elastisch zu plastisch.

Wissenschaftler haben jetzt hochauflösende Bilder dieser Liniendefekte, die zeigen, wie schnell Defekte wachsen und wie sie sich bewegen, sobald sie auftreten, sagte SLAC-Wissenschaftlerin Mianzhen Mo.

„Das Verständnis der Dynamik der plastischen Verformung wird es Wissenschaftlern ermöglichen, der Gitterstruktur eines Materials künstliche Defekte hinzuzufügen“, sagte Mo. „Diese künstlichen Defekte können eine Schutzbarriere bilden, um zu verhindern, dass sich Materialien bei hohen Drücken in extremen Umgebungen verformen.“

UEDs Moment zu glänzen

Der Schlüssel zu den schnellen, klaren Bildern der Experimentatoren waren die hochenergetischen Elektronen von MeV-UED, die es dem Team ermöglichten, alle halbe Sekunde Probenbilder aufzunehmen.

„Die meisten Menschen verwenden in UED-Experimenten relativ kleine Elektronenenergien, aber wir verwenden in unserem Experiment 100-mal energiereichere Elektronen“, sagte Xijie Wang, Wissenschaftlerin am SLAC. „Bei hoher Energie erhält man mehr Partikel in einem kürzeren Impuls, was dreidimensionale Bilder von ausgezeichneter Qualität und ein vollständigeres Bild des Prozesses liefert.“

Die Forscher hoffen, ihr neues Verständnis der Plastizität auf verschiedene wissenschaftliche Anwendungen anwenden zu können, wie z. B. die Verstärkung von Materialien, die in Hochtemperatur-Kernfusionsexperimenten verwendet werden. Ein besseres Verständnis der Materialreaktionen in extremen Umgebungen ist dringend erforderlich, um ihre Leistung in einem zukünftigen Fusionsreaktor vorherzusagen, sagte Siegfried Glenzer, Direktor für Wissenschaft mit hoher Energiedichte.

„Der Erfolg dieser Studie wird hoffentlich dazu motivieren, höhere Laserleistungen zu implementieren, um eine größere Vielfalt wichtiger Materialien zu testen“, sagte Glenzer.

Das Team ist daran interessiert, Materialien für Experimente zu testen, die am ITER Tokamak durchgeführt werden, einer Einrichtung, die hofft, die erste zu sein, die nachhaltige Fusionsenergie produziert.