Begrijpen hoe materialen vervormen en catastrofaal falen wanneer ze worden getroffen door een krachtige schok, is cruciaal in een breed scala van gebieden, inclusief astrofysica, materiaalkunde en ruimtevaarttechniek. Maar tot voor kort, de rol van leegtes, of kleine poriën, in zo'n snel proces niet kon worden vastgesteld, waarbij metingen moeten worden uitgevoerd op een miljoenste van een miljardste van een seconde.

Nu heeft een internationaal onderzoeksteam ultraheldere röntgenstralen gebruikt om de eerste waarnemingen te doen van hoe deze holtes evolueren en bijdragen aan schade in koper na impact door een extreme schok. Het team, waaronder wetenschappers van de Universiteit van Miami, het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en het Argonne National Laboratory, Imperial College London en de universiteiten van Oxford en York publiceerden hun resultaten in wetenschappelijke vooruitgang .

"Of deze materialen nu in een satelliet zitten die is geraakt door een micrometeoriet, een ruimtevaartuig dat met hypersonische snelheid de atmosfeer binnenkomt of een straalmotor die explodeert, ze moeten al die energie volledig absorberen zonder catastrofaal te falen, " zegt hoofdauteur James Coakley, een assistent-professor mechanische en ruimtevaarttechniek aan de Universiteit van Miami. "We proberen te begrijpen wat er in een materiaal gebeurt tijdens dit soort extreem snelle storingen. Dit experiment is de eerste poging om dat te doen, door te kijken hoe het materiaal samendrukt en uitzet tijdens vervorming voordat het uiteindelijk uit elkaar valt."

Zwitserse kaas

In het experiment, de onderzoekers schokten een kopermonster met laserpulsen, vervolgens verstrooide röntgenstralen van SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenvrije elektronenlaser door het materiaal om de vervorming ervan te volgen. Van de patronen die de verstrooide röntgenstralen gemaakt in twee detectoren, ze waren in staat om te zien hoe de schok het atomaire rooster van het materiaal in één detector samendrukte en vervolgens uitbreidde, terwijl ze tegelijkertijd de evolutie van de lege ruimte in de tweede detector observeerden.

De aanvankelijke samendrukking sloot reeds bestaande holtes in het materiaal, zegt Cookley. Toen het materiaal weer uitbreidde, "Je krijgt steeds meer van deze kleine holtes die kiemen en groeien naarmate de schade zich door het materiaal verspreidt, als een plakje Zwitserse kaas. Op een bepaald moment, ze beginnen samen te voegen totdat je uiteindelijk grote poriën overhoudt die uiteindelijk tot mislukking leiden."

De onderzoekers ontdekten ook dat de sterkte van het materiaal, of het vermogen om schade te weerstaan, afhankelijk van hoe snel de externe spanning werd toegepast en losgelaten.

"De helderheid van de röntgenstralen en de tijdschalen waar we naar konden kijken waren cruciaal voor het succes van dit experiment, " zegt SLAC-directeur Strategische Planning Despina Milathianaki, die het LCLS-experiment bedacht en overzag. "Deze combinatie van factoren stelde ons in staat om precies te volgen wat er in het monster gebeurde, omdat het uit elkaar viel op tijd- en lengteschalen die voorheen alleen konden worden gesimuleerd. inzicht bieden in de onderliggende gebreken die materiaalfalen hebben veroorzaakt."

De schok overleven

Dit experiment was gericht op het aantonen hoe de techniek kan worden gebruikt om ultrasnelle materiaalvervorming te begrijpen. De onderzoekers zijn van plan toekomstige experimenten uit te voeren met meer geavanceerde materialen en onder experimentele omstandigheden die beter aansluiten bij toepassingen in de echte wereld.

"Het was opwindend om de volledige levenscyclus van een materiaal te visualiseren en te begrijpen, " zegt Milathianaki. "Het is een geweldige demonstratie van wat er bij LCLS kan worden gedaan om materiële mislukking breder te begrijpen. Het einddoel is om volledig te begrijpen hoe materialen falen, zodat je nieuwe materialen kunt ontwerpen die beter bestand zijn tegen deze intense omstandigheden."