Materiales más fuertes podrían florecer con nuevas imágenes de flujo de plástico

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Imagínese dejar caer una pelota de tenis sobre el colchón de un dormitorio. La pelota de tenis doblará un poco el colchón, pero no permanentemente; levante la pelota y el colchón volverá a su posición y resistencia originales. Los científicos lo llaman un estado elástico.

Por otro lado, si dejas caer algo pesado, como un refrigerador, la fuerza empuja el colchón a lo que los científicos llaman un estado plástico. El estado plástico, en este sentido, no es lo mismo que la jarra de leche de plástico en tu refrigerador, sino más bien un reordenamiento permanente de la estructura atómica de un material. Cuando retire el refrigerador, el colchón estará comprimido y, bueno, incómodo, por decir lo menos.

Pero el desplazamiento elástico-plástico de un material va más allá de la comodidad del colchón. Comprender qué le sucede a un material a nivel atómico cuando cambia de elástico a plástico a altas presiones podría permitir a los científicos diseñar materiales más fuertes para naves espaciales y experimentos de fusión nuclear.

Hasta ahora, los científicos han luchado para capturar imágenes claras de la transformación de un material en plasticidad, dejándolos en la oscuridad en cuanto a qué hacen exactamente los átomos diminutos cuando deciden dejar su acogedor estado elástico y aventurarse en el mundo del plástico.

Ahora, por primera vez, los científicos del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía han capturado imágenes de alta resolución de una pequeña muestra de un solo cristal de aluminio en su transición de un estado elástico a plástico. Las imágenes permitirán a los científicos predecir cómo se comporta un material cuando sufre una transformación plástica dentro de las cinco billonésimas de segundo de los fenómenos que ocurren. El equipo publicó los resultados hoy en Comunicaciones de la naturaleza.

La última sacudida de un cristal

Para capturar las imágenes de la muestra de cristal de aluminio, los científicos tuvieron que aplicar una fuerza y ​​un refrigerador obviamente era demasiado grande. Entonces, en su lugar, usaron un láser de alta energía, que golpeó el cristal lo suficientemente fuerte como para empujarlo desde el elástico hasta el plástico.

Cuando el láser generó ondas de choque que comprimieron el cristal, los científicos enviaron un haz de electrones de alta energía a través de él con la rápida «cámara electrónica» de SLAC o el instrumento Megaelectronvolt Ultrafast Electron Difraction (MeV-UED). Este haz de electrones dispersó los núcleos de aluminio y los electrones en el cristal, lo que permitió a los científicos medir con precisión su estructura atómica. Los científicos tomaron múltiples instantáneas de la muestra mientras el láser continuaba comprimiéndola, y esta serie de imágenes produjo una especie de video flip-book, una película en stop-motion de la danza del cristal en plasticidad.

Más específicamente, las instantáneas de alta resolución mostraron a los científicos cuándo y cómo aparecieron los defectos de línea en la muestra, la primera señal de que un material fue golpeado con demasiada fuerza para recuperarse.

Los defectos de línea son como las cuerdas rotas de una raqueta de tenis. Por ejemplo, si usa su raqueta de tenis para golpear ligeramente una pelota de tenis, las cuerdas de su raqueta vibrarán un poco, pero volverán a su posición original. Sin embargo, si golpeas una bola de bolos con tu raqueta, las cuerdas se saldrán de su lugar y no podrán rebotar. De manera similar, cuando el láser de alta energía golpeó la muestra de cristal de aluminio, algunas filas de átomos en el cristal se movieron fuera de lugar. El seguimiento de estos desplazamientos -los defectos de línea- utilizando la cámara electrónica MeV-UED mostró el recorrido elástico-plástico del cristal.

Los científicos ahora tienen imágenes de alta resolución de estos defectos de línea, que revelan qué tan rápido crecen los defectos y cómo se mueven una vez que aparecen, dijo el científico de SLAC Mianzhen Mo.

«Comprender la dinámica de la deformación plástica permitirá a los científicos agregar defectos artificiales a la estructura reticular de un material», dijo Mo. «Estos defectos creados por el hombre pueden proporcionar una barrera protectora para evitar que los materiales se deformen a altas presiones en entornos extremos».

Hora de brillar con UED

La clave de las imágenes claras y rápidas de los experimentadores fueron los electrones de alta energía de MeV-UED, que permitieron al equipo adquirir imágenes de muestra cada medio segundo.

«La mayoría de la gente usa energías de electrones relativamente pequeñas en los experimentos UED, pero en nuestro experimento estamos usando electrones que son 100 veces más energéticos», dijo Xijie Wang, un distinguido científico de SLAC. «A alta energía, obtienes más partículas en un pulso más corto, lo que proporciona imágenes tridimensionales de excelente calidad y una imagen más completa del proceso».

Los investigadores esperan aplicar su nueva comprensión de la plasticidad a varias aplicaciones científicas, como los materiales de refuerzo utilizados en los experimentos de fusión nuclear a alta temperatura. Se necesita urgentemente una mejor comprensión de las respuestas de los materiales en ambientes extremos para predecir su rendimiento en un futuro reactor de fusión, dijo Siegfried Glenzer, director de ciencia de alta densidad de energía.

«Se espera que el éxito de este estudio motive la implementación de potencias de láser más altas para probar una variedad más amplia de materiales importantes», dijo Glenzer.

El equipo está interesado en probar materiales para experimentos que se realizarán en ITER Tokamak, una instalación que espera ser la primera en producir energía de fusión sostenida.

MeV-UED es una herramienta de la estructura de usuario Linac Coherent Light Source (LCLS), administrada por SLAC en nombre de la Oficina de Ciencias del DOE. Parte de la investigación se llevó a cabo en el Centro de Nanotecnologías Integradas del Laboratorio Nacional de Los Álamos, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. El apoyo fue proporcionado por la Oficina de Ciencias del DOE, en parte a través del programa de investigación y desarrollo dirigido por laboratorio en SLAC.

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