Après un demi-siècle de débat, des chercheurs ont découvert que de minuscules défauts linéaires peuvent se propager à travers un matériau in addition rapidement que les ondes sonores.
Ces défauts linéaires, ou dislocations, confèrent aux métaux leur résistance et leur maniabilité, mais ils peuvent également provoquer des défaillances catastrophiques des matériaux – ce qui se produit chaque fois que vous appuyez sur la languette d’une canette de soda.
Le fait qu’ils puissent voyager si vite donne aux scientifiques une nouvelle appréciation des forms inhabituels de dommages qu’ils pourraient causer à un massive éventail de matériaux dans des disorders extrêmes – depuis la roche déchirée par une rupture sismique jusqu’aux matériaux de blindage des avions déformés par des contraintes extrêmes, a déclaré Leora Dresselhaus-Marais, professeur au Laboratoire countrywide des accélérateurs SLAC du Département de l’énergie et à l’Université de Stanford, qui a codirigé l’étude avec le professeur Norimasa Ozaki de l’Université d’Osaka.
« Jusqu’à présent, personne n’a été en mesure de mesurer directement la rapidité avec laquelle ces dislocations se propagent à travers les matériaux », a-t-elle déclaré. Son équipe a utilisé la radiographie aux rayons X – similaire aux rayons X médicaux qui révèlent l’intérieur du corps – pour mesurer la vitesse de propagation des luxations à travers le diamant, donnant ainsi des leçons qui devraient également s’appliquer à d’autres matériaux. Ils ont décrit les résultats aujourd’hui dans Science.
À la poursuite de la vitesse du son
Les scientifiques débattent depuis près de 60 ans pour savoir si les dislocations peuvent traverser les matériaux furthermore rapidement que le son. Un certain nombre d’études ont conclu que ce n’était pas achievable. Mais certains modèles informatiques ont indiqué que oui, ils le pouvaient – à affliction qu’ils commencent à se déplacer à une vitesse supérieure à celle du son.
Les amener instantanément à cette vitesse nécessiterait un choc énorme. D’une aspect, le son se propage beaucoup plus rapidement à travers les matériaux solides que dans l’air ou l’eau, en fonction, entre autres facteurs, de la mother nature et de la température du matériau. Alors que la vitesse du son dans l’air est généralement estimée à 761 mph, elle est de 3 355 mph dans l’eau et un incroyable 40 000 mph dans le diamant, le matériau le moreover dur de tous.
Pour compliquer encore in addition les choses, il existe deux forms d’ondes sonores dans les solides. Les ondes longitudinales sont comme celles de l’air. Mais comme les solides opposent une certaine résistance au passage du son, ils hébergent également des ondes in addition lentes appelées ondes sonores transversales.
Savoir si les dislocations ultrarapides peuvent briser l’une ou l’autre de ces barrières acoustiques est important du stage de vue scientifique fondamental et du position de vue pratique. Lorsque les dislocations se déplacent plus rapidement que la vitesse du son, elles se comportent très différemment et entraînent des défaillances inattendues qui n’ont jusqu’à présent été que modélisées. Sans mesures, personne ne sait quels dégâts ces dislocations ultrarapides peuvent causer.
« Si un matériau structurel tombe en panne de manière in addition catastrophique que prévu en raison de son taux de défaillance élevé, ce n’est pas si bon », a déclaré Kento Katagiri, chercheur postdoctoral au sein du groupe de recherche et leading auteur de l’article. « S’il s’agit d’une faille qui éclate dans la roche lors d’un tremblement de terre, par exemple, cela pourrait causer encore moreover de dégâts. Nous devons en apprendre davantage sur ce variety de défaillance catastrophique. »
Les résultats de cette étude, a ajouté Dresselhaus-Marais, « pourraient suggérer que ce que nous pensions savoir sur la défaillance matérielle la in addition rapide doable était faux ».
L’effet pop-best
Pour obtenir les premières photos directes de la vitesse à laquelle les luxations peuvent se déplacer, Dresselhaus-Marais et ses collègues ont réalisé des expériences au laser à électrons libres à rayons X SACLA au Japon. Ils ont fait des expériences sur de minuscules cristaux de diamant synthétique.
Diamond offre une plate-forme distinctive pour étudier la défaillance des matériaux cristallins, a déclaré Katagiri. D’une portion, son mécanisme de déformation est additionally uncomplicated que ceux observés dans les métaux, ce qui facilite l’interprétation de ces expériences difficiles d’imagerie par rayons X ultrarapides.
« Pour comprendre les mécanismes de dommages, nous devons identifier les caractéristiques de nos visuals qui sont sans ambiguïté des luxations, et non d’autres types de défauts », a-t-il déclaré.
Lorsque deux luxations se rencontrent, elles s’attirent ou se repoussent et génèrent encore as well as de luxations. Ouvrez une canette de soda fabriquée à partir d’un alliage d’aluminium, et les nombreuses dislocations qui se trouvent déjà dans le couvercle – créées lors de sa forme finale – interagissent et engendrent de nouvelles dislocations par milliards, qui se transforment en un échec critique absolu. lorsque le haut de la canette fléchit et que le dessus s’ouvre. Ces interactions et leur comportement régissent toutes les propriétés mécaniques des matériaux que nous observons.
« Dans le diamant, il n’existe que quatre varieties de luxations, tandis que le fer, par exemple, présente 144 types de luxations possibles », a déclaré Dresselhaus-Marais.
Le diamant pourrait être beaucoup additionally dur que le métal, selon les chercheurs. Mais tout comme une canette de soda, elle se pliera toujours en formant des milliards de dislocations si elle est suffisamment choquée.
Réaliser des photos radiographiques d’ondes de choc
Au SACLA, l’équipe a utilisé une lumière laser extreme pour générer des ondes de choc dans les cristaux de diamant. Ensuite, ils ont essentiellement pris une série d’images aux rayons X ultrarapides des dislocations se formant et se propageant sur une échelle de temps de plusieurs milliardièmes de seconde. Seuls les lasers à rayons X à électrons libres peuvent fournir des impulsions de rayons X suffisamment courtes et suffisamment brillantes pour capturer ce processus.
L’onde de choc initiale s’est divisée en deux types d’ondes qui ont continué à traverser le cristal. La première vague, appelée onde élastique, déformait temporairement le cristal ses atomes ont immédiatement rebondi dans leur position d’origine, comme un élastique étiré et relâché. La deuxième vague, connue sous le nom d’onde plastique, a déformé le cristal de manière permanente en créant de petites erreurs dans les motifs répétitifs des atomes qui composent la framework cristalline.
Ces minuscules déplacements, ou dislocations, créent des « défauts d’empilement » dans lesquels les couches adjacentes du cristal se déplacent les unes par rapport aux autres, de sorte qu’elles ne s’alignent pas comme elles le devraient. Les défauts d’empilement se propagent vers l’extérieur à partir de l’endroit où le laser a touché le diamant, et il y a une dislocation mobile à l’extrémité avant de chaque défaut d’empilement.
Grâce aux rayons X, les chercheurs ont découvert que les dislocations se propageaient à travers le diamant furthermore rapidement que la vitesse des ondes sonores furthermore lentes, les ondes transversales – un phénomène qui n’avait jamais été observé dans aucun matériau auparavant.
Maintenant, a déclaré Katagiri, l’équipe prévoit de retourner dans une set up à électrons libres à rayons X, telle que SACLA ou la source de lumière cohérente Linac du SLAC, LCLS, pour voir si les dislocations peuvent se déplacer furthermore rapidement que la vitesse longitudinale as well as élevée du son dans le diamant. ce qui nécessitera des chocs laser encore in addition puissants. S’ils franchissent le mur du son, dit-il, ils seront considérés comme de véritables supersoniques.
Leora Dresselhaus-Marais est chercheuse au Stanford Institute for Supplies and Sciences (SIMES) du SLAC et au Stanford PULSE Institute. Des chercheurs de l’Université d’Osaka, de l’Institut japonais de recherche sur le rayonnement synchrotron, du Centre RIKEN SPring-8 et de l’Université de Nagoya au Japon Laboratoire national Lawrence Livermore du DOE le Culham Science Centre au Royaume-Uni et l’École Polytechnique en France ont également contribué à cette recherche. Un financement majeur est venu du Bureau de recherche scientifique de l’US Air Pressure.
