科學家首次捕捉到微小鋁單晶從彈性過渡到塑性狀態時的高分辨率照片

想象一下，把一個網球扔到卧室的牀墊上。網球會使牀墊有點彎曲，但不是永久性的--把球撿起來，牀墊就會恢復到原來的位置和強度。科學家稱這是一種彈性狀態。另一方面，如果你扔下重物--如冰箱--力量會將牀墊推到科學家所説的塑性狀態。在這個意義上，塑性狀態與你冰箱裏的塑料奶瓶不同，而是一種材料原子結構的永久性重新排列。當你移開冰箱時，牀墊會被壓縮，至少可以説是不舒服的。

但是，材料的彈塑性轉變不僅僅關係到牀墊的舒適度。瞭解當一種材料在高壓下從彈性過渡到塑性時，在原子層面上發生了什麼，可以讓科學家為航天器和核聚變實驗設計更強大的材料。

到目前為止，科學家們在過去未能捕捉到材料轉變為塑性的清晰圖像，使他們對微觀原子在決定離開其舒適的彈性狀態並進入塑性世界時正在做什麼一無所知。

美國能源部SLAC國家加速器實驗室的科學家們首次捕捉到了一個微小的鋁單晶樣品從彈性狀態過渡到塑性狀態時的高分辨率照片。這些圖像將使科學家們能夠在現象發生的五萬億分之一秒內預測材料在經歷塑性轉變時的表現。這些發現最近發表在《自然通訊》雜誌上。

科學家們需要在鋁製晶體樣品上施加力量以拍攝圖像，而冰箱顯然太大。相反，他們利用一個高能激光器用力敲擊晶體，使其狀態從彈性變為塑性。

科學家們利用SLAC的快速 “電子相機”，或兆電子伏超快電子衍射(MeV-UED)儀器，在激光產生的衝擊波壓縮晶體時，將高能電子束穿過晶體。該電子束對晶體中的鋁核和電子的散射使科學家能夠精確地確定原子結構。當激光繼續壓縮樣品時，科學家們拍攝了幾張快照，形成了一種晶體在塑性過程中“跳舞的定格電影”。

更具體地説，高分辨率的快照向科學家們展示了樣品中何時以及如何出現線狀缺陷--這是一種材料被擊中的力量大到無法恢復的第一個跡象。

線狀缺陷就像網球拍上的斷線。例如，如果你用你的網球拍輕輕地打一個網球，你的網球拍的線會振動一下，但會回到它們原來的位置。然而，如果你用球拍打保齡球，球線就會變形離開原位，無法反彈。同樣地，當高能激光擊中鋁晶體樣品時，晶體中的一些原子行會移位。使用MeV-UED的電子照相機跟蹤這些移動--線狀缺陷--顯示了晶體從彈性到塑性的過程。

科學家們現在有了這些線狀缺陷的高分辨率圖像，揭示了缺陷生長的速度以及它們一旦出現後是如何移動的，SLAC科學家Mianzhen Mo説。

Mianzhen説：“瞭解塑性變形的動態，將使科學家能夠在材料的晶格結構中添加人工缺陷。這些人工缺陷可以提供一個保護屏障，使材料在極端環境中的高壓下不發生變形。”

實驗人員快速、清晰的圖像的關鍵是MeV-UED的高能電子，它使該團隊能夠每半秒拍攝一次樣品圖像。“大多數人在UED實驗中使用相對較小的電子能量，但我們在實驗中使用的是100倍的高能電子，”SLAC的傑出科學家Xijie Wang説。“在高能量下，你在更短的脈衝中獲得更多的粒子，這提供了質量極佳的3D圖像和更完整的過程圖。”

研究人員希望將他們對塑性的新理解應用於不同的科學應用，例如加強用於高温核聚變實驗的材料。高能密度科學主任Siegfried Glenzer説，迫切需要更好地瞭解材料在極端環境中的反應，以預測它們在未來聚變反應堆中的性能。

Glenzer説：“這項研究的成功將有望促使實施更高的激光功率來測試更多種類的重要材料。”

該團隊有興趣為將在ITER託卡馬克進行的實驗測試材料，該設施希望成為第一個產生持續聚變能量的設施。

MeV-UED是Linac相干光源（LCLS）用户設施的一個儀器，由SLAC代表DOE科學辦公室運營。部分研究是在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的綜合納米技術中心進行的，該中心是美國能源部科學辦公室的用户設施。能源部科學辦公室提供了支持，部分是通過SLAC的實驗室指導研究和發展計劃。