Przełomowe badanie pokazuje, że defekty rozprzestrzeniają się w diamencie szybciej niż prędkość dźwięku

Te defekty liniowe, czyli dyslokacje, nadają metalom ich wytrzymałość i urabialność, ale mogą również spowodować katastrofalne uszkodzenie materiałów – co dzieje się za każdym razem, gdy pociągniesz za końcówkę puszki z napojem.

Fakt, że mogą podróżować tak szybko, pozwala naukowcom na nowo docenić niezwykłe rodzaje uszkodzeń, jakie mogą wyrządzić szerokiej gamie materiałów w ekstremalnych warunkach – od skał rozerwanych w wyniku trzęsienia ziemi po materiały osłon samolotów zdeformowane pod wpływem ekstremalnych naprężeń, mówi Leora Dresselhaus-Marais, profesor w Narodowym Laboratorium Akceleratorów SLAC na Wydziale Energii i na Uniwersytecie Stanforda, która współprowadziła badania z profesor Norimasą Ozaki na Uniwersytecie w Osace.

„Do tej pory nikt nie był w stanie bezpośrednio zmierzyć, jak szybko te dyslokacje rozprzestrzeniają się w materiałach” – powiedziała. Jej zespół wykorzystał radiografię rentgenowską, podobną do promieni rentgenowskich stosowanych w medycynie, które ujawniają wnętrze ciała, aby zmierzyć prędkość rozprzestrzeniania się dyslokacji w diamentie, uzyskując wnioski, które powinny mieć zastosowanie również do innych materiałów. Wyniki opisali dzisiaj w Science.

W pogoni za prędkością dźwięku

Od prawie 60 lat naukowcy debatują nad tym, czy dyslokacje mogą przemieszczać się w materiałach szybciej niż dźwięk. Z szeregu badań wynika, że ​​nie jest to możliwe. Jednak niektóre modele komputerów wskazywały, że tak, pod warunkiem, że zaczną poruszać się z prędkością większą niż prędkość dźwięku.

Natychmiastowe osiągnięcie tej prędkości wymagałoby ogromnego szoku. Po pierwsze, dźwięk rozchodzi się znacznie szybciej przez materiały stałe niż przez powietrze lub wodę, w zależności między innymi od rodzaju i temperatury materiału. Podczas gdy prędkość dźwięku w powietrzu jest ogólnie podawana jako 761 mil na godzinę, w wodzie wynosi 3355 mil na godzinę, a w diamencie, najtwardszym materiale ze wszystkich, niesamowita prędkość wynosi 40 000 mil na godzinę.

Sprawę jeszcze bardziej komplikuje fakt, że w ciałach stałych występują dwa rodzaje fal dźwiękowych. Fale podłużne przypominają te w powietrzu. Ponieważ jednak ciała stałe stawiają pewien opór przechodzeniu dźwięku, występują w nich również wolniej poruszające się fale, zwane poprzecznymi falami dźwiękowymi.

Wiedza o tym, czy ultraszybkie dyslokacje mogą przełamać którąkolwiek z tych barier dźwiękowych, jest ważna zarówno z nauki podstawowej, jak i z praktycznego punktu widzenia. Kiedy dyslokacje poruszają się szybciej niż prędkość dźwięku, zachowują się zupełnie inaczej i powodują nieoczekiwane awarie, które do tej pory były jedynie modelowane. Bez pomiarów nikt nie wie, jakie szkody mogą wyrządzić te ultraszybkie dyslokacje.

„Jeśli materiał konstrukcyjny zawodzi bardziej katastrofalnie, niż ktokolwiek oczekiwał, ze względu na jego wysoki wskaźnik uszkodzeń, nie jest to zbyt dobrze” – powiedział Kento Katagiri, doktorant w grupie badawczej i pierwszy autor artykułu. „Jeśli na przykład jest to uskok przebijający się przez skałę podczas trzęsienia ziemi, może spowodować więcej szkód we wszystkim. Musimy dowiedzieć się więcej o tego typu katastrofalnej awarii”.

Wyniki tego badania, dodał Dresselhaus-Marais, „mogą sugerować, że to, co myśleliśmy, że wiemy o najszybszym możliwym uszkodzeniu materiałów, było błędne”.

Efekt pop-topu

Aby uzyskać pierwsze bezpośrednie obrazy szybkości przemieszczania się dyslokacji, Dresselhaus-Marais i jej współpracownicy przeprowadzili eksperymenty w rentgenowskim laserze na swobodnych elektronach SACLA w Japonii. Przeprowadzili eksperymenty na maleńkich kryształach syntetycznego diamentu.

reklama