Un estudio innovador muestra que los defectos se propagan a través del diamante más rápido que la velocidad del sonido

Estos defectos lineales, o dislocaciones, son los que dan a los metales su resistencia y trabajabilidad, pero también pueden hacer que los materiales fallen catastróficamente, que es lo que sucede cada vez que abres la lengüeta de una lata de refresco.

El hecho de que puedan viajar tan rápido les da a los científicos una nueva apreciación de los tipos inusuales de daño que podrían causar a una amplia gama de materiales en condiciones extremas, desde rocas destrozadas por un terremoto hasta materiales de protección de aviones deformados por estrés extremo, dijo Leora Dresselhaus-Marais, profesora del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía y de la Universidad de Stanford, quien codirigió el estudio con la profesora Norimasa Ozaki en la Universidad de Osaka.

"Hasta ahora, nadie ha podido medir directamente qué tan rápido se propagan estas dislocaciones a través de los materiales", dijo. Su equipo utilizó radiografías de rayos X, similares a los rayos X médicos que revelan el interior del cuerpo, para medir la velocidad de las dislocaciones que se propagan a través del diamante, lo que arrojó lecciones que deberían aplicarse también a otros materiales. Describieron los resultados hoy en Science.

Persiguiendo la velocidad del sonido

Los científicos han estado debatiendo durante casi 60 años si las dislocaciones pueden viajar a través de los materiales más rápido que el sonido. Varios estudios concluyeron que no podían. Pero algunos modelos de computadora indicaron que sí podían, siempre que comenzaran a moverse a una velocidad superior a la del sonido.

Lograr que alcanzaran instantáneamente esta velocidad requeriría un impacto tremendo. Por un lado, el sonido viaja mucho más rápido a través de materiales sólidos que a través del aire o el agua, dependiendo de la naturaleza y temperatura del material, entre otros factores. Si bien la velocidad del sonido a través del aire generalmente se considera de 761 mph, es de 3,355 mph a través del agua y de unas increíbles 40,000 mph en el diamante, el material más duro de todos.

Para complicar aún más las cosas, hay dos tipos de ondas sonoras en los sólidos. Las ondas longitudinales son como las del aire. Pero debido a que los sólidos oponen cierta resistencia al paso del sonido, también albergan ondas de movimiento más lento conocidas como ondas sonoras transversales.

Saber si las dislocaciones ultrarrápidas pueden romper cualquiera de estas barreras del sonido es importante tanto desde el punto de vista científico como práctico. Cuando las dislocaciones se mueven más rápido que la velocidad del sonido, se comportan de manera muy diferente y dan como resultado fallas inesperadas que hasta ahora solo han sido modeladas. Sin mediciones, nadie sabe cuánto daño pueden causar esas dislocaciones ultrarrápidas.

"Si un material estructural falla más catastróficamente de lo que nadie esperaba debido a su alta tasa de falla, eso no es tan bueno", dijo Kento Katagiri, investigador postdoctoral en el grupo de investigación y primer autor del artículo. "Si se trata de una falla que rompe una roca durante un terremoto, por ejemplo, podría causar más daño a todo. Necesitamos aprender más sobre este tipo de falla catastrófica".

Los resultados de este estudio, añadió Dresselhaus-Marais, "podrían sugerir que lo que pensábamos que sabíamos sobre la falla más rápida posible de los materiales estaba equivocado".

El efecto pop-top

Para obtener las primeras imágenes directas de la velocidad a la que pueden viajar las dislocaciones, Dresselhaus-Marais y sus colegas realizaron experimentos en el láser de electrones libres de rayos X SACLA en Japón. Hicieron los experimentos con pequeños cristales de diamante sintético.

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