Begrijpen hoe schokgolven structuren beïnvloeden, is cruciaal voor vooruitgang in materiaalwetenschappelijk onderzoek, inclusief veiligheidsprotocollen en nieuwe oppervlaktemodificaties. Met behulp van röntgendiffractiesondes, wetenschappers van het Institute of Materials Structure Science van KEK, Tokio van technologie, Kumamoto-universiteit, en University of Tsukuba bestudeerden de vervorming van polykristallijne aluminiumfolie bij blootstelling aan een lasergestuurde schokgolf.

De basis van techniek ligt in het begrijpen en manipuleren van de structuur van materialen om hun eigenschappen op creatieve manieren te benutten. Interacties tussen materialen vinden plaats via de uitwisseling van krachten, dus het voorspellen van het vermogen van een materiaal om een ​​kracht te weerstaan ​​en hoe het zich voortplant, staat centraal bij het ontwikkelen van structuren met verbeterde sterkte.

Als een onmiddellijke sterke kracht die op een materiaal inwerkt een schokgolf tot gevolg heeft, de atomen kunnen worden verplaatst of ontwricht. Als een rubberen band, als de externe kracht niet te belangrijk is, de interne krachten kunnen weerstaan ​​en het materiaal kan terugkeren naar zijn oorspronkelijke staat (elastische vervorming). Maar boven een bepaalde grens, de kracht kan leiden tot blijvende schade of zelfs structureel falen (plastische vervorming) van het materiaal.

Eenheidscellen zijn de kleinste regelmatig herhalende driedimensionale atomaire structuur die de algemene symmetrie van een kristal weerspiegelt, en het bestuderen van hun verplaatsing kan rijke inzichten opleveren. Echter, het observeren van processen op atomaire schaal is erg moeilijk. Dit is waar röntgendiffractie te hulp komt. Stel je een camera voor waarmee je gebeurtenissen op atomaire schaal kunt vastleggen. Wanneer een röntgenstraal een atoom ontmoet, wordt het geabsorbeerd en vervolgens opnieuw uitgezonden door het atoom. Hierdoor wordt de golf op een ordelijke manier verstrooid of afgebogen, vanwege de ordelijke rangschikking van atomen in het kristal. Afhankelijk van de grootte, ruimtelijke ordening, en afstand tussen de atomen, de golf wordt verspreid in verschillende richtingen met verschillende intensiteit. Dus, de atomaire structuur wordt vastgelegd als signalen, als een foto van het kristal tijdens en na het passeren van de schokgolf. Dit kan worden gebruikt om kristalvervorming te decoderen.

Hierdoor gemotiveerd, onderzoekers voerden een experiment uit om het vervormingsproces van polykristallijne aluminiumfolie te observeren bij blootstelling aan een lasergestuurde schokgolf. Deze verstoring werd vervolgens vastgelegd als diffractievlekken van een röntgenbundel die tegelijkertijd konden worden vergeleken met het diffractiepatroon van het pre-shockkristal (figuur 1). Ze ontdekten dat grote korrels aluminium werden geroteerd, elastisch samengedrukt, en verkleind langs de golfrichting. Naarmate de golf zich dieper in het monster voortplantte, de diffractievlekken gladgestreken en verbreed, en de oorspronkelijke diffractievlekken begonnen te verdwijnen, vervangen door een nieuwe set spots (Fig. 2). "We observeerden korrelverfijning en structurele veranderingen van het polykristallijne metaal, die toenam met de voortplanting van de lasergestuurde schokgolf. Dit, beurtelings, maakte de studie mogelijk van microstructurele vervorming in plastische schokstromen van het atomaire naar het mesoschaalniveau, " verklaarde Dr. Kohei Ichiyanagi van High Energy Accelerator Research Organization en Jichi Medical University.

Hedendaags onderzoek naar structurele veranderingen van materialen na een schok brengt vaak het proces van golfdissipatie en de verdeling van defecten niet naar voren. Dit onderzoek verandert de status-quo door een methode te bieden om graanverfijning en structurele veranderingen waar te nemen, inclusief oppervlaktehardheid en modificatie, van polykristallijn metaal tijdens schokgolfbelasting. Optimistisch over de potentie van dit onderzoek, Professor Kazutaka G. Nakamura van het Tokyo Institute of Technology zei:"Onze techniek zal waardevol zijn voor het onthullen van mechanismen van microstructurele verandering voor verschillende legeringen en keramiek op basis van dynamische processen."

Zeker, dit toont de creatieve manieren waarop we de reikwijdte van wat we kunnen zien kunnen vergroten:deze keer, het is hoe röntgenstralen kunnen worden gebruikt om vast te leggen hoe deeltjes worden geschud en geroerd!