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

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 Röntgenstrahlen, die das Innere des Körpers freilegen, um die Geschwindigkeit der Ausbreitung von Versetzungen durch Diamant zu messen und daraus Erkenntnisse zu gewinnen, die auch auf andere Materialien anwendbar sein sollten. Die Ergebnisse beschrieben sie heute in Science.

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. Einige Computermodelle gaben jedoch an, 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.

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