(Phys.org) — SLAC-geleide onderzoekers hebben de eerste directe metingen gedaan van een kleine en extreem snelle atomaire herschikking, geassocieerd met een klasse genaamd martensitische transformaties, die de eigenschappen van veel belangrijke materialen drastisch verandert, zoals het verdubbelen van de hardheid van staal en ervoor zorgen dat legeringen met vormgeheugen terugkeren naar een eerdere vorm.

Met behulp van hogedrukschokgolven en ultrakorte röntgenpulsen bij de Linac Coherent Light Source (LCLS), de onderzoekers observeerden de details van hoe deze transformatie de interne atomaire structuur van een modelsysteem veranderde, perfecte nanokristallen van cadmiumsulfide. In het proces, ze zagen voor het eerst dat de nanokristallen door een theoretisch voorspelde tussentoestand gaan wanneer ze deze verandering ondergaan.

"Om nieuwe materialen met gewenste eigenschappen te ontwerpen en te engineeren, we willen graag de gedetailleerde microscopische paden begrijpen die ze volgen terwijl ze transformeren, " zei de teamleider, Aaron Lindenberg, een assistent-professor aan SLAC en Stanford. "De martensitische transformatie is vooral belangrijk omdat deze in zoveel belangrijke materialen voorkomt. Onze techniek zou ons uiteindelijk moeten helpen te zien wat er gebeurt in andere atomaire transformaties."

De onderzoeksresultaten van het team werden vorige maand gepubliceerd in Nano-letters .

Vernoemd naar de baanbrekende Duitse metallurg Adolf Martens, de martensitische transformatie omvat collectieve korte-afstandsbewegingen van de atomen in een kristallijne vaste stof als deze reageert op stress. Het is meer dan 100 jaar onderzocht nadat Martens en collega's hadden vastgesteld dat een veranderde kristallijne vorm in snel gekoeld koolstofstaal verantwoordelijk was voor de verhoogde hardheid. Hoewel de werkelijke atomaire bewegingen in martensitische transformaties doorgaans kleiner zijn dan een nanometer, ze kunnen enorme effecten hebben op de eigenschappen van een materiaal. Naast het harden van staal en het vergemakkelijken van legeringen met vormgeheugen, de martensitische transformatie ligt ten grondslag aan zulke uiteenlopende verschijnselen als geologische vervorming als gevolg van platentektoniek en het mechanisme waarmee binnenvallende virussen de wanden van cellen doorboren.

Ze raken een metaalfolie met een intense infrarood laserpuls, waardoor het explodeert en een hogedrukschok door de nanokristallen wordt gestuurd. De druk van de passerende schokgolf zette de transformatie op gang. De LCLS-röntgenpulsen werden getimed om het monster op verschillende fracties van een seconde na de schok te raken, het produceren van stop-action röntgendiffractiebeelden die de precieze posities van de atomen van het nanokristal tijdens verschillende stadia van de transformatie lieten zien, die slechts 50 biljoenste van een seconde in beslag nam. De wetenschappers varieerden ook de laserintensiteit om schokken met verschillende piekdrukken te creëren.

Het team ontdekte dat de transformaties die werden veroorzaakt door de schokken bij hogere druk direct verliepen van zeshoekig naar kubisch, terwijl die veroorzaakt door de lagere drukschokken een tijdelijke tussentoestand vormden. Berekende simulaties door andere onderzoekers hadden de tussenliggende, zei Lindenberg. Maar de afwezigheid ervan in het hogedrukgeval kan een aanwijzing zijn dat sterke schokken als katalysatoren werken, het verlagen van de energiebarrière van de transformatie zodat deze direct kan doorgaan.

"Deze reeks experimenten toont de kracht van het gebruik van LCLS, krachtige lasers en nanokristallen om de snelle atomaire herschikkingen te onderzoeken die zo belangrijk zijn bij het creëren van materiaaleigenschappen, "Zei Lindenberg. "Tot nu toe, er zijn alleen theoretische berekeningen geweest over hoe deze transformaties zouden moeten plaatsvinden. Nu kunnen we uit de eerste hand leren wat er echt gebeurt."