Studie zeigt, dass sich Defekte schneller als mit Schallgeschwindigkeit durch Diamanten ausbreiten

Nach einem halben Jahrhundert Debatte haben Forscher herausgefunden, dass sich winzige lineare Defekte schneller durch ein Material ausbreiten können als Schallwellen.

Diese linearen Defekte oder Versetzungen verleihen Metallen ihre Festigkeit und Bearbeitbarkeit, können aber auch dazu führen, dass Materialien katastrophal versagen – was jedes Mal passiert, wenn man die Zuglasche einer Getränkedose öffnet.

Die Tatsache, dass sie so schnell reisen können, gibt Wissenschaftlern ein neues Verständnis für die ungewöhnlichen Arten von Schäden, die sie unter extremen Bedingungen an einer Vielzahl von Materialien anrichten können – von durch einen Erdbebenbruch auseinandergerissenen Gesteinen bis hin zu durch extreme Belastung verformten Flugzeugabschirmungsmaterialien, sagte er Leora Dresselhaus-Marais, Professorin am SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums und an der Stanford University, die die Studie gemeinsam mit Professor Norimasa Ozaki an der Universität Osaka leitete.

„Bisher konnte niemand direkt messen, wie schnell sich diese Versetzungen durch Materialien ausbreiten“, sagte sie. Ihr Team nutzte Röntgenradiographie – ähnlich wie medizinische Röntgenaufnahmen, die das Innere des Körpers sichtbar machen –, um die Geschwindigkeit der Ausbreitung von Versetzungen durch Diamanten zu messen und Erkenntnisse zu gewinnen, die auch auf andere Materialien anwendbar sein sollten. Sie beschrieb die Ergebnisse heute in Wissenschaft.

Der Schallgeschwindigkeit nachjagen

Seit fast 60 Jahren diskutieren Wissenschaftler darüber, ob sich Versetzungen schneller durch Materialien ausbreiten können als Schall. Eine Reihe von Studien kam zu dem Schluss, dass dies nicht möglich sei. Aber einige Computermodelle deuteten darauf hin, dass dies möglich sei – vorausgesetzt, sie bewegten sich zunächst mit Überschallgeschwindigkeit.

Um sie sofort auf diese Geschwindigkeit zu bringen, wäre ein enormer Schock erforderlich. Zum einen breitet sich Schall durch feste Materialien viel schneller aus als durch Luft oder Wasser, was unter anderem von der Beschaffenheit und Temperatur des Materials abhängt. Während die Schallgeschwindigkeit in der Luft allgemein mit 761 Meilen pro Stunde angegeben wird, beträgt sie durch Wasser 3.355 Meilen pro Stunde und in Diamant, dem härtesten Material überhaupt, unglaubliche 40.000 Meilen pro Stunde.

Erschwerend kommt hinzu, dass es in Festkörpern zwei Arten von Schallwellen gibt. Längswellen ähneln denen in der Luft. Da Feststoffe dem Schalldurchgang jedoch einen gewissen Widerstand entgegensetzen, beherbergen sie auch langsamere Wellen, sogenannte Transversalschallwellen.

Zu wissen, ob ultraschnelle Versetzungen eine dieser Schallmauern durchbrechen können, ist sowohl aus grundlegender wissenschaftlicher als auch aus praktischer Sicht wichtig. Wenn sich Versetzungen schneller als die Schallgeschwindigkeit bewegen, verhalten sie sich ganz anders und führen zu unerwarteten Ausfällen, die bisher nur modelliert wurden. Ohne Messungen weiß niemand, welchen Schaden diese ultraschnellen Versetzungen anrichten können.

„Wenn ein Strukturmaterial aufgrund seiner hohen Ausfallrate katastrophaler versagt, als irgendjemand erwartet hätte, ist das nicht so gut“, sagte Kento Katagiri, Postdoktorand in der Forschungsgruppe und Erstautor der Arbeit. „Wenn es sich zum Beispiel um eine Verwerfung handelt, die während eines Erdbebens durch das Gestein bricht, könnte das alles noch mehr beschädigen. Wir müssen mehr über diese Art von katastrophalem Versagen erfahren.“

Die Ergebnisse dieser Studie, fügte Dresselhaus-Marais hinzu, „könnten darauf hindeuten, dass das, was wir über das schnellstmögliche Materialversagen zu wissen glaubten, falsch war.“

Der Pop-Top-Effekt

Um erste direkte Bilder davon zu erhalten, wie schnell sich Versetzungen ausbreiten können, führten Dresselhaus-Marais und ihre Kollegen Experimente am Röntgen-Freie-Elektronen-Laser SACLA in Japan durch. Sie führten die Experimente an winzigen Kristallen aus synthetischem Diamant durch.

Diamond biete eine einzigartige Plattform, um zu untersuchen, wie kristalline Materialien versagen, sagte Katagiri. Zum einen ist sein Verformungsmechanismus einfacher als der, der bei Metallen beobachtet wird, was die Interpretation dieser anspruchsvollen ultraschnellen Röntgenbildexperimente erleichtert.

„Um die Schadensmechanismen zu verstehen, müssen wir Merkmale in unseren Bildern identifizieren, bei denen es sich eindeutig um Versetzungen und nicht um andere Arten von Defekten handelt“, sagte er.

Wenn zwei Versetzungen aufeinander treffen, ziehen sie sich gegenseitig an oder stoßen sie ab und erzeugen noch mehr Versetzungen. Öffnen Sie eine Dose Limonade aus einer Aluminiumlegierung, und die vielen Versetzungen, die sich bereits im Deckel befinden – die entstanden sind, als er in seine endgültige Form gebracht wurde – interagieren und erzeugen Billionen neuer Versetzungen, die zu einem absolut kritischen Versagen führen Die Oberseite der Dose biegt sich und der Pop-Top öffnet sich. Diese Wechselwirkungen und ihr Verhalten bestimmen alle mechanischen Eigenschaften der von uns beobachteten Materialien.

„In Diamant gibt es nur vier Arten von Versetzungen, während Eisen beispielsweise 144 verschiedene mögliche Arten von Versetzungen aufweist“, sagte Dresselhaus-Marais.

Diamant könnte viel härter sein als Metall, sagten die Forscher. Aber ähnlich wie eine Getränkedose verbiegt sie sich immer noch und bildet Milliarden von Verwerfungen, wenn sie stark genug geschockt wird.

Röntgenbilder von Stoßwellen anfertigen

Bei SACLA erzeugte das Team mit intensivem Laserlicht Stoßwellen in Diamantkristallen. Dann machten sie im Wesentlichen eine Reihe ultraschneller Röntgenbilder der Versetzungen, die sich in einer Zeitskala von Milliardstelsekunden bildeten und ausbreiteten. Nur Freie-Elektronen-Röntgenlaser können ausreichend kurze und helle Röntgenimpulse liefern, um diesen Prozess zu erfassen.

Die anfängliche Stoßwelle teilte sich in zwei Arten von Wellen auf, die sich weiter durch den Kristall ausbreiteten. Die erste Welle, elastische Welle genannt, verformte den Kristall vorübergehend; Seine Atome sprangen sofort in ihre ursprüngliche Position zurück, wie ein Gummiband, das gedehnt und wieder losgelassen wurde. Die zweite Welle, bekannt als plastische Welle, verformte den Kristall dauerhaft, indem sie kleine Fehler in den sich wiederholenden Mustern der Atome verursachte, aus denen die Kristallstruktur besteht.

Diese winzigen Verschiebungen oder Versetzungen erzeugen „Stapelfehler“, bei denen sich benachbarte Schichten des Kristalls relativ zueinander verschieben, sodass sie nicht so ausgerichtet sind, wie sie sollten. Die Stapelfehler breiten sich von der Stelle, an der der Laser auf den Diamanten trifft, nach außen aus, und an der Vorderspitze jedes Stapelfehlers befindet sich eine bewegliche Versetzung.

Mit Röntgenstrahlen entdeckten die Forscher, dass sich die Versetzungen schneller im Diamanten ausbreiten als die Geschwindigkeit der langsameren Art von Schallwellen, der Transversalwellen – ein Phänomen, das noch nie zuvor in irgendeinem Material beobachtet wurde.

Jetzt, so Katagiri, plant das Team, zu einer Röntgenanlage mit freien Elektronen wie SACLA oder der Linac Coherent Light Source (LCLS) des SLAC zurückzukehren, um zu sehen, ob sich Versetzungen schneller als die höhere Längsschallgeschwindigkeit in Diamant ausbreiten können , was noch stärkere Laserschocks erfordert. Wenn sie diese Schallmauer durchbrechen, würden sie als echte Überschallraketen gelten, sagte er.

Leora Dresselhaus-Marais ist Forscherin am Stanford Institute for Materials and Sciences (SIMES) am SLAC und am Stanford PULSE Institute. Forscher der Universität Osaka, des Japan Synchrotron Radiation Research Institute, des RIKEN SPring-8 Centers und der Universität Nagoya in Japan; Lawrence Livermore National Laboratory des DOE; Culham Science Centre im Vereinigten Königreich; und die École Polytechnique in Frankreich trugen ebenfalls zu dieser Forschung bei.