Elasticiteit, het vermogen van een object om terug te stuiteren naar zijn oorspronkelijke vorm, is een universele eigenschap in vaste materialen. Maar als het te ver wordt geduwd, materialen veranderen op onherstelbare manieren:elastiekjes klikken doormidden, metalen frames buigen of smelten en telefoonschermen versplinteren.

Bijvoorbeeld, wanneer silicium, een element dat overvloedig aanwezig is in de aardkorst, wordt blootgesteld aan extreme hitte en druk, een eerste "elastische" schokgolf reist door het materiaal, ongewijzigd laten, gevolgd door een "inelastische" schokgolf die de structuur van het materiaal onomkeerbaar verandert.

Door een nieuwe techniek te gebruiken, onderzoekers konden dit proces direct bekijken en in beeld brengen. Tot hun verbazing, ze ontdekten dat het een extra stap bevatte die nog niet eerder was gezien:nadat de eerste elastische schokgolf door het silicium was gegaan, een tweede elastische golf verscheen voordat de laatste niet-elastische golf de eigenschappen van het materiaal veranderde.

Hun resultaten zijn gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang vorige week.

"We ontdekten dat deze transformatie genuanceerder is dan eerder werd gedacht, " zegt Shaughnessy Brennan Brown, een postdoctorale kandidaat aan de Stanford University en een afgestudeerde onderzoeksmedewerker bij het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy, die de analyse leidde. "We verlichtten een geheel nieuwe functie die mogelijk in andere materialen waarneembaar is."

Door een nieuwe lens kijken

Naast het bijdragen aan een dieper begrip van silicium, een materiaal dat belangrijk is op gebieden als engineering, geofysica en plasmafysica, deze nieuwe techniek verlicht de weg voor het oplossen van problemen op andere gebieden.

"Het door Shaughnessy ontwikkelde platform is ook bruikbaar op gebieden als meteorieten, " zegt co-auteur Arianna Gleason-Holbrook, een stafwetenschapper aan het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) bij SLAC. "Laten we zeggen een groot metalen botslichaam, als de overblijfselen van een planeet, raakt een aardse planeet. Met deze techniek kunnen we inzoomen en ruimtelijk door de geschiedenis van dat soort schokken lopen om een ​​aantal belangrijke vragen te beantwoorden, zoals hoe leven wordt afgeleverd op een nieuwe planeet of wat er gebeurt tijdens asteroïdebotsingen."

"Het is bijna alsof je al een tijdje wazig ziet, " ze zei, "maar dan zet je een bril op en de wereld gaat open. Wat we in dit artikel hebben gedaan, is een nieuwe lens bieden over materiaaleigenschappen."

De golf vangen

Bij SLAC, onderzoekers kunnen zien wat er diep in de buik van monsters gebeurt door ze te raken met ultrasnelle röntgenlaserpulsen van de Linac Coherent Light Source (LCLS), en vervolgens de patronen te gebruiken die zijn gevormd door de verstrooide röntgenstralen om beelden te reconstrueren.

Bij het Materie in Extreme Omstandigheden (MEC) instrument, onderzoekers blazen de monsters op met intense pulsen van een tweede krachtige laser voordat ze ze met röntgenstralen raken om te zien hoe materialen reageren op extreme hitte en druk. Bij veel experimenten onderzoekers positioneren deze twee lasers bijna parallel aan elkaar. Dit helpt hen te begrijpen hoe het materiaal in de loop van de tijd verandert, maar geeft hen geen duidelijk beeld van hoe deze structurele transformaties er in werkelijkheid uitzien.

Een belangrijk kenmerk van de techniek die in dit artikel wordt gebruikt, is dat de onderzoekers gebruik maakten van een nieuwe laserplaatsing die in eerdere artikelen was gebruikt, het schieten van de pulsen van de tweede laser loodrecht op de röntgenpulsen van LCLS. Dit andere uitkijkpunt stelde hen in staat om ongrijpbare structurele veranderingen in het silicium te bekijken terwijl ze zich voordeden, dat is hoe ze de tweede golf voorstelden die door het silicium bewoog.

Breed scala aan schalen

Met deze nieuwe experimentele opstelling konden de onderzoekers ook vergroten wat ze zagen, het verhogen van de resolutie van hun afbeeldingen en hen in staat te stellen een holistisch beeld te krijgen van wat er op een breed scala aan schalen met het silicium gebeurde, van microscopisch tot macroscopisch.

Opvolgen, de onderzoekers herhalen het experiment in veel extremere omstandigheden en passen het toe op een veel bredere klasse materialen om te zien of ze deze extra stap nog zien, wat zal leiden tot een beter begrip van hoe materialen transformeren.

"We hebben geprobeerd fundamentele processen van materiële transformatie te begrijpen zonder altijd het hele plaatje te zien, Brennan Brown zegt. "Veel wetenschappers gebruiken slimme technieken om het probleem vanuit verschillende hoeken te benaderen. Het mooie van dit nieuwe platform is de duidelijkheid, directheid en reikwijdte."