Onderzoekers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy hebben de meest gedetailleerde atoomfilm opgenomen van het smelten van goud na te zijn bestraald met laserlicht. De inzichten die ze hebben opgedaan in hoe metalen vloeibaar worden, hebben potentieel om de ontwikkeling van fusiereactoren te ondersteunen, staalverwerkingsfabrieken, ruimtevaartuigen en andere toepassingen waarbij materialen lange tijd extreme omstandigheden moeten doorstaan.

Kernfusie is het proces dat sterren als de zon aandrijft. Wetenschappers willen dit proces op aarde kopiëren als een relatief schone en veilige manier om vrijwel onbeperkte hoeveelheden energie op te wekken. Maar om een ​​fusiereactor te bouwen, ze hebben materialen nodig die kunnen overleven als ze worden blootgesteld aan temperaturen van een paar honderd miljoen graden Fahrenheit en intense straling die tijdens de fusiereactie wordt geproduceerd.

"Onze studie is een belangrijke stap naar betere voorspellingen van de effecten die extreme omstandigheden hebben op reactormaterialen, waaronder zware metalen zoals goud, " zei SLAC postdoctoraal onderzoeker Mianzhen Mo, een van de hoofdauteurs van een studie die vandaag is gepubliceerd in Wetenschap . "De beschrijving op atomair niveau van het smeltproces zal ons helpen betere modellen te maken van de schade op korte en lange termijn in die materialen, zoals scheurvorming en materiaalfalen."

De studie maakte gebruik van de hogesnelheidselektronencamera van SLAC - een instrument voor ultrasnelle elektronendiffractie (UED) - die nucleaire bewegingen kan volgen met een sluitertijd van ongeveer 100 miljoenste van een miljardste van een seconde, of 100 femtoseconden.

Smelten in zakken

Het team ontdekte dat het smelten begon op de oppervlakken van korrels van nanoformaat in de goudmonsters - gebieden waarin de goudatomen netjes in kristallen zijn uitgelijnd - en op de grenzen daartussen.

"Dit gedrag was voorspeld in theoretische studies, maar we hebben het nu voor het eerst echt waargenomen, zei Siegfried Glenzer, hoofd van de High Energy Density Science Division van SLAC en de hoofdonderzoeker van het onderzoek. "Onze methode stelt ons in staat om het gedrag van elk materiaal in extreme omgevingen in atomaire details te onderzoeken, dat is de sleutel tot het begrijpen en voorspellen van materiaaleigenschappen en zou nieuwe wegen kunnen openen voor het ontwerp van toekomstige materialen."

Om het smeltproces te bestuderen, de onderzoekers richtten de laserstraal op een monster van goudkristallen en keken hoe de atoomkernen in de kristallen reageerden, met behulp van de elektronenstraal van het UED-instrument als een sonde. Door snapshots van de atomaire structuur aan elkaar te naaien die op verschillende tijdstippen na de laserinslag zijn genomen, ze maakten een stop-motionfilmpje van de structurele veranderingen in de loop van de tijd.

"Ongeveer 7 tot 8 biljoenste van een seconde na de laserflits, we zagen de vaste stof in een vloeistof veranderen, " zei SLAC postdoctoraal onderzoeker Zhijang Chen, een van de hoofdauteurs van het onderzoek. "Maar de vaste stof werd niet overal tegelijkertijd vloeibaar. we observeerden de vorming van vloeistofzakken omringd door massief goud. Deze mix evolueerde in de loop van de tijd totdat er na ongeveer een miljardste van een seconde alleen nog vloeistof over was."

Schitterende 'Electron Vision'

Om tot dit detailniveau te komen, de onderzoekers hadden een speciale camera nodig zoals het UED-instrument van SLAC, die de atomaire samenstelling van materialen kan zien en snel genoeg is om extreem snelle bewegingen van atoomkernen te volgen.

En omdat het smeltproces destructief is, een ander kenmerk van het instrument was ook absoluut cruciaal.

"Bij ons experiment het monster smolt en verdampte uiteindelijk, " zei versnellerfysicus Xijie Wang, hoofd van het UED-initiatief van SLAC. "Maar zelfs als we het zouden kunnen afkoelen zodat het weer een vaste stof wordt, het zou niet exact dezelfde startstructuur hebben. Dus, voor elk frame van de atoomfilm willen we alle structurele informatie verzamelen in een enkelvoudig experiment - een enkele doorgang van de elektronenstraal door het monster. Dat is precies gelukt omdat ons instrument een zeer energetische elektronenstraal gebruikt die een sterk signaal produceert."