Estudo inovador mostra que defeitos se espalham pelo diamante mais rápido do que a velocidade do som

Esses defeitos lineares, ou deslocamentos, são o que dão aos metais sua resistência e trabalhabilidade, mas também podem fazer com que os materiais falhem catastroficamente - que é o que acontece toda vez que você abre a aba de uma lata de refrigerante.

O fato de poderem viajar tão rápido dá aos cientistas uma nova avaliação dos tipos incomuns de danos que podem causar a uma ampla gama de materiais em condições extremas - desde rochas destruídas por um terremoto até materiais de proteção de aeronaves deformados por estresse extremo, disse. Leora Dresselhaus-Marais, professora do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia e da Universidade de Stanford, que co-liderou o estudo com a professora Norimasa Ozaki da Universidade de Osaka.

“Até agora, ninguém foi capaz de medir diretamente a rapidez com que estas deslocações se espalham pelos materiais”, disse ela. A sua equipa utilizou radiografias de raios X, semelhantes às radiografias médicas que revelam o interior do corpo, para cronometrar a velocidade das deslocações de propagação através do diamante, produzindo lições que também devem ser aplicadas a outros materiais. Eles descreveram os resultados hoje na Science.

Perseguindo a velocidade do som

Os cientistas têm debatido se as deslocações podem viajar através dos materiais mais rapidamente do que o som há quase 60 anos. Vários estudos concluíram que não. Mas alguns modelos de computador indicaram que sim, poderiam, desde que começassem a se mover a uma velocidade superior à do som.

Levá-los instantaneamente a essa velocidade exigiria um choque tremendo. Por um lado, o som viaja muito mais rápido através de materiais sólidos do que através do ar ou da água, dependendo da natureza e da temperatura do material, entre outros fatores. Embora a velocidade do som no ar seja geralmente de 761 mph, é de 3.355 mph na água e incríveis 40.000 mph no diamante, o material mais duro de todos.

Para complicar ainda mais as coisas, existem dois tipos de ondas sonoras nos sólidos. As ondas longitudinais são como as do ar. Mas como os sólidos oferecem alguma resistência à passagem do som, eles também hospedam ondas de movimento mais lento, conhecidas como ondas sonoras transversais.

Saber se as deslocações ultrarrápidas podem quebrar qualquer uma dessas barreiras sonoras é importante tanto do ponto de vista científico fundamental quanto do ponto de vista prático. Quando as discordâncias se movem mais rápido que a velocidade do som, elas se comportam de maneira bastante diferente e resultam em falhas inesperadas que até agora só foram modeladas. Sem medições, ninguém sabe quanto dano essas deslocações ultrarrápidas podem causar.

"Se um material estrutural falhar de forma mais catastrófica do que se esperava devido à sua alta taxa de falha, isso não é tão bom", disse Kento Katagiri, pós-doutorado no grupo de pesquisa e primeiro autor do artigo. "Se for uma falha que rompe a rocha durante um terremoto, por exemplo, pode causar mais danos a tudo. Precisamos aprender mais sobre esse tipo de falha catastrófica."

Os resultados deste estudo, acrescentou Dresselhaus-Marais, “podem sugerir que o que pensávamos saber sobre a falha de materiais mais rápida possível estava errado”.

O efeito pop-top

Para obter as primeiras imagens diretas da rapidez com que as deslocações podem viajar, Dresselhaus-Marais e os seus colegas realizaram experiências no laser de elétrons livres de raios X SACLA, no Japão. Eles fizeram experimentos com minúsculos cristais de diamante sintético.

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