Voor de eerste keer, wetenschappers hebben in-situ diffractie-experimenten gerapporteerd die deformatietwinning op het roosterniveau meten tijdens schokcompressie. De resultaten zijn onlangs gepubliceerd in Natuur door een team van onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory en medewerkers van de Universiteit van Oxford, Los Alamos Nationaal Laboratorium, de Universiteit van York en het SLAC National Accelerator Laboratory.

Schokcompressie is een uitdagend studiegebied, omdat het extreme omstandigheden combineert, zoals hoge drukken en temperaturen, met ultrasnelle tijdschalen. Om het probleem te vereenvoudigen, wetenschappers gaan er vaak van uit dat vaste stoffen zich als een vloeistof gedragen, vloeien en veranderen hun vorm (plasticiteit) zonder weerstand. Nog, als een solide, de meeste materialen behouden ook een roosterstructuur. Als een materiaalstroom, van vorm veranderen, op de een of andere manier moet het rooster ook veranderen terwijl het regelmatige patroon van het rooster behouden blijft. De studie van plasticiteit op een zeer fundamenteel niveau berust dan op het begrijpen hoe het rooster verandert terwijl een materiaal vervormt.

Dislocatie-slip (waar roosterdislocaties worden gegenereerd en verplaatst) en twinning (waarbij subkorrels worden gevormd met een spiegelbeeldrooster) zijn de basismechanismen van plastische vervorming. Ondanks hun fundamentele belang voor plasticiteit, het diagnosticeren van het actieve mechanisme in situ (tijdens de schok) was ongrijpbaar. Eerder onderzoek heeft het materiaal achteraf bestudeerd (in "herstel"), die extra complicerende factoren introduceert en tot tegenstrijdige resultaten heeft geleid.

"In-situ diffractie-experimenten bestaan ​​​​al een paar decennia, maar zijn pas recentelijk bekend geworden omdat krachtige lasers en röntgenvrije elektronenlasers de metingen op grotere schaal beschikbaar hebben gemaakt, gevoeliger en in staat om extremere omstandigheden te bereiken, " zei Chris Wehrenberg, LLNL-fysicus en hoofdauteur op het papier. "Ons werk belicht een onontgonnen studiegebied, de verdeling van het signaal binnen diffractieringen, die belangrijke informatie kan opleveren."

De experimenten van het team werden uitgevoerd in het nieuwe eindstation Matter in Extreme Conditions, gelegen bij SLAC's Linac Coherent Light Source, die de voorrand vertegenwoordigt in een grote, wereldwijde investeringen in faciliteiten die in-situ diffractie kunnen combineren met hogedruk- en hoge-reksnelheidstechnieken.

"Bij deze experimenten je lanceert een schokgolf met een laser, waar een straal laserverwarmd plasma een tegendruk in uw monster creëert, en onderzoek de toestand van uw monster met een röntgenstraal, Wehrenberg zei. "De röntgenstralen zullen onder bepaalde hoeken van het monster verstrooien, het vormen van diffractieringen, en de verstrooiingshoek geeft informatie over de structuur van het materiaal."

Ondanks de groeiende populariteit van in-situ diffractie-experimenten, de meeste richten zich op de verstrooiingshoek en hebben geen betrekking op de distributie van het signaal binnen een diffractiering. Hoewel deze benadering kan onthullen wanneer een materiaal van fase verandert, het zal niet onthullen hoe een materiaal zich gedraagt ​​​​buiten een faseovergang.

Door de veranderingen in de signaalverdeling binnen de lijnen te analyseren, het team kon veranderingen in de roosteroriëntatie detecteren, of textuur, en laat zien of een materiaal twinning of slip onderging. In aanvulling, het team kon niet alleen aantonen of het monster – tantaal, een metaal met een hoge dichtheid - tweeling of slipt wanneer schokken worden samengedrukt, maar waren in staat om dit voor het grootste deel van het gehele bereik van schokdrukken aan te tonen.

"LLNL is nauw betrokken bij materiaalmodellering als onderdeel van de op wetenschap gebaseerde voorraadbeheermissie en heeft programmatische inspanningen om tantaal op moleculair niveau te modelleren, evenals plasticiteitsmodellering, Wehrenberg zei. "Deze resultaten zijn direct van toepassing op beide inspanningen, het verstrekken van gegevens waarmee de modellen direct kunnen worden vergeleken voor benchmarking of validatie. In de toekomst, we zijn van plan om deze experimentele inspanningen te coördineren met gerelateerde experimenten op LLNL's National Ignition Facility die plasticiteit bij nog hogere druk bestuderen."

Terwijl de technieken voor het analyseren van röntgendiffractiegegevens voor veranderingen in de textuur en microstructuur van een materiaal zijn beoefend in quasi-statische experimenten, ze zijn nieuw op het gebied van schokexperimenten. Deze combinatie van technieken is relevant voor veel andere gebieden. Bijvoorbeeld, vlakke vervormingskenmerken in kwarts veroorzaakt door twinning en microfractuur zijn een veel voorkomende indicatie van meteoorinslagen, en deze kenmerken kunnen ook de magnetisatie van andere geologische materialen beïnvloeden. evenzo, de twinning speelt een cruciale rol in het zelfscherpende gedrag van ballistische penetrators en is in verband gebracht met verhoogde ductiliteit in hoogwaardige keramiek voor pantsertoepassingen. Het begrijpen van high-rate plasticiteit is van cruciaal belang voor het uitharden van ruimtehardware tegen hypervelocity-stofinslagen en heeft zelfs implicaties voor de vorming van interstellaire stofwolken.