Att förstå hur chockvågor påverkar strukturer är avgörande för framsteg inom materialvetenskaplig forskning, inklusive säkerhetsprotokoll och nya ytmodifieringar. Använda röntgendiffraktionssonder, forskare vid Institute of Materials Structure Science i KEK, Tokyo of Tech, Kumamoto universitet, och University of Tsukuba studerade deformationen av polykristallint aluminiumfolie när den utsattes för en laserdriven chockvåg.

Grunden för teknik ligger i att förstå och manipulera materialstrukturen för att utnyttja deras egenskaper på kreativa sätt. Interaktioner mellan material sker via kraftutbyte, så att förutsäga ett material förmåga att motstå en kraft och hur det sprider sig är centralt för att utveckla strukturer med förbättrad styrka.

Om en momentan stark kraft som verkar på ett material resulterar i en chockvåg, atomerna kan bli förskjutna eller förskjutna. Som ett gummiband, om den yttre kraften inte är för stor, de inre krafterna kan motstå och materialet kan återgå till sitt ursprungliga tillstånd (elastisk deformation). Men bortom en viss gräns, kraften kan leda till permanent skada eller till och med strukturellt misslyckande (plastisk deformation) av materialet.

Enhetsceller är den minsta regelbundet upprepande tredimensionella atomstrukturen som återspeglar den övergripande symmetrin hos en kristall, och att studera deras förskjutning kan ge rik insikt. Dock, att observera processer i atomskala är mycket svårt. Det är här röntgendiffraktion kommer till undsättning. Föreställ dig en kamera som låter dig fånga händelser som äger rum i atomskala. När en röntgen möter en atom absorberas den och sänds sedan ut igen av atomen. Detta resulterar i att vågen sprids eller diffrakteras på ett ordnat sätt, på grund av det ordnade arrangemanget av atomer i kristallen. Beroende på storlek, rumsliga arrangemang, och avståndet mellan atomerna, vågen är utspridd i olika riktningar med olika intensitet. Således, atomstrukturen fångas som signaler, som ett fotografi av kristallen under och efter chockvågen. Detta kan användas för att avkoda kristalldeformation.

Motiverad av detta, forskare genomförde ett experiment för att observera deformationsprocessen för polykristallin aluminiumfolie när den utsattes för en laserdriven chockvåg. Denna störning fångades sedan upp som diffraktionsfläckar i en röntgenstråle som samtidigt kunde jämföras med diffraktionsmönstret för pre-shock-kristallen (fig. 1). De fann att stora korn av aluminium roterades, komprimerad elastiskt, och minskad i storlek längs vågriktningen. När vågen förökade sig djupare in i provet, diffraktionsfläckarna slätas ut och breddas, och de ursprungliga diffraktionsfläckarna började försvinna, ersättas av en ny uppsättning fläckar (bild 2). "Vi observerade kornförädling och strukturella förändringar av den polykristallina metallen, som ökade med utbredningen av den laserdrivna chockvågen. Detta, i tur och ordning, möjliggjorde studier av mikrostrukturell deformation i plastchockflöden från atomnivån till mesoskala, "sade Dr Kohei Ichiyanagi från High Energy Accelerator Research Organization och Jichi Medical University.

Samtida forskning om post-chock strukturella förändringar av material misslyckas ofta med att belysa processen med vågspridning och fördelning av defekter. Denna forskning ändrar status quo genom att tillhandahålla en metod för att observera kornförädling och strukturförändringar, inklusive ythårdhet och modifiering, av polykristallin metall under chockvågsbelastning. Optimistisk om potentialen i denna forskning, Professor Kazutaka G. Nakamura vid Tokyo Institute of Technology sa:"Vår teknik kommer att vara värdefull för att avslöja mekanismer för mikrostrukturella förändringar för olika legeringar och keramik baserat på dynamiska processer."

Säkert, detta visar de kreativa sätten vi kan utöka räckvidden för vad vi kan se:den här gången, det är hur röntgenstrålar kan användas för att fånga hur partiklar skakas och rörs om!