Defekt szybszy niż dźwięk

Niektóre zniekształcenia struktury materiału mogą sprawić, że stanie się mocniejszy – jak w przypadku kutej stali. Jednak w innych okolicznościach doprowadzają do katastrofalnego uszkodzenia - przykładem może być rozdzieranie blachy przy otwieraniu puszki z napojem.

Wiedza o tym, jak szybko się rozprzestrzenia się defekt może pomóc naukowcom zrozumieć takie zjawiska, jak trzęsienia ziemi czy awarie samolotów, a także pomóc podnieść jakość produkowanych wyrobów.

Nowe badanie przeprowadzili prof. Leora Dresselhaus-Marais ze Stanford University oraz prof. Norimasa Ozaki z Uniwersytetu w Osace. Pozwoliło ono rozwiązać kwestię, co do której naukowcy spierali się od niemal 60 lat. Jak się okazało, drobne liniowe defekty (dyslokacje) mogą rozprzestrzeniać się w materiale szybciej niż fale dźwiękowe.

„Do tej pory nikt nie był w stanie bezpośrednio zmierzyć, jak szybko te dyslokacje rozprzestrzeniają się w materiałach” – powiedziała prof. Dresselhaus-Marais.

Jej zespół wykorzystał radiografię rentgenowską aby zmierzyć prędkość rozprzestrzeniania się dyslokacji w diamencie. W przypadku diamentu badanie było łatwiejsze do przeprowadzenia niż dla innych materiałów: mechanizm deformacji jest prostszy niż obserwowany w metalach, co ułatwia interpretację eksperymentów z ultraszybkim obrazowaniem rentgenowskim. Jednak uzyskane wnioski powinny mieć zastosowanie również w przypadku innych materiałów.

O ile wcześniejsze eksperymenty sugerowały, że dyslokacje nie mogą być szybsze od prędkości rozchodzenia się dźwięku w danym materiale, według niektórych modeli komputerowych było to możliwe - jeśli zaczną poruszać się z prędkością większą niż prędkość dźwięku.

Natychmiastowe osiągnięcie tak dużej prędkości wymaga ogromnego szoku. Po pierwsze, dźwięk rozchodzi się znacznie szybciej w materiałach stałych niż w powietrzu czy wodzie, w zależności między innymi od rodzaju i temperatury materiału. Fale dźwiękowe przemieszczają się przez materiał, gdy jedna cząsteczka zderza się z inną. Podczas gdy prędkość dźwięku w powietrzu to około 340 metrów na sekundę, w wodzie wynosi 1500, a w diamencie, najtwardszym materiale ze wszystkich - aż 18 000 metrów na sekundę.

Dodatkową komplikacją jest to, że w ciałach stałych występują dwa rodzaje fal dźwiękowych. Fale podłużne przypominają te w powietrzu. Ponieważ jednak ciała stałe stawiają pewien opór przechodzeniu dźwięku, występują w nich również wolniej poruszające się fale, zwane poprzecznymi falami dźwiękowymi.

Wiedza o tym, czy ultraszybkie dyslokacje mogą przełamać którąkolwiek z tych barier dźwiękowych, jest ważna zarówno z punktu widzenia nauki podstawowej, jak i z przyczyn praktycznych. Kiedy dyslokacje poruszają się szybciej niż prędkość dźwięku, zachowują się zupełnie inaczej i powodują nieoczekiwane awarie, które do tej pory były jedynie modelowane. Bez przeprowadzania pomiarów nikt nie wie, jakie szkody mogą wyrządzić te ultraszybkie dyslokacje.

„Jeśli materiał konstrukcyjny zawodzi bardziej katastrofalnie, niż ktokolwiek się spodziewał, ze względu na jego wysoki wskaźnik uszkodzeń, nie jest dobrze – powiedział Kento Katagiri, doktorant w grupie badawczej i pierwszy autor artykułu. - Jeśli na przykład jest to uskok przebijający się przez skałę podczas trzęsienia ziemi, może to spowodować większe zniszczenia wszystkiego. Musimy dowiedzieć się więcej o tego typu katastrofalnych zdarzeniach”.

Aby uzyskać pierwsze bezpośrednie obrazy szybkości przemieszczania się dyslokacji, Dresselhaus-Marais i jej współpracownicy przeprowadzili eksperymenty na maleńkich kryształach syntetycznego diamentu, wykorzystując rentgenowski laser na swobodnych elektronach.

Kiedy spotykają się dwie dyslokacje, przyciągają się lub odpychają i generują jeszcze więcej dyslokacji. Wystarczy otworzyć puszkę napoju gazowanego wykonaną ze stopu aluminium: obecne w wieczku liczne dyslokacje, które powstały podczas kształtowania puszki oddziałują na siebie i powodują powstanie kaskady miliardów nowych dyslokacji - w rezultacie metal ulega rozdarciu i powstaje otwór o wcześniej zaplanowanym kształcie.

„W diamencie występują tylko cztery rodzaje dyslokacji, podczas gdy na przykład w żelazie - 144 różne możliwe typy dyslokacji” – wskazała prof. Dresselhaus-Marais.

Choć diament jest znacznie twardszy niż stopy, z których powstają puszki, pod wpływem odpowiednio dużej siły także będzie się wyginać, tworząc miliardy dyslokacji.

Naukowcy wykorzystali intensywne promieniowanie lasera do wygenerowania fal uderzeniowych w kryształach diamentu. Następnie wykonali serię ultraszybkich zdjęć rentgenowskich przedstawiających powstawanie i rozprzestrzenianie się dyslokacji w skali czasu wynoszącej miliardowe części sekundy. Tylko lasery rentgenowskie na swobodnych elektronach mogą zapewnić impulsy promieniowania rentgenowskiego wystarczająco krótkie i jasne, aby uchwycić ten proces.

Początkowa fala uderzeniowa podzieliła się na dwa rodzaje fal, które kontynuowały podróż przez kryształ. Pierwsza fala, zwana falą sprężystą, chwilowo zdeformowała kryształ; jego atomy natychmiast wróciły do swoich pierwotnych pozycji, jak gumka, która została rozciągnięta i rozluźniona. Druga fala, zwana falą plastyczną, trwale odkształciła kryształ, tworząc niewielkie błędy w powtarzających się wzorach atomów tworzących strukturę kryształu.

Te drobne przesunięcia lub dyslokacje sprawiają, że sąsiednie warstwy diamentu przesuwają się względem siebie. Usterki rozprzestrzeniają się na zewnątrz od miejsca, w które uderza impuls lasera.

Dzięki promieniom rentgenowskim naukowcy odkryli, że dyslokacje rozprzestrzeniają się w diamencie szybciej niż prędkość wolniejszego rodzaju fal dźwiękowych, fal poprzecznych – jest to zjawisko, którego nigdy wcześniej nie obserwowano w żadnym materiale.

Teraz, jak powiedział Katagiri, zespół planuje sprawdzić, czy dyslokacje mogą przemieszczać się szybciej niż wyższa, podłużna prędkość dźwięku w diamencie, co będzie wymagało jeszcze silniejszych impulsów laserowych. (PAP)

Autor: Paweł Wernicki

pmw/ agt/