För första gången, forskare har rapporterat in-situ diffraktionsexperiment som mäter deformationssammansättningar på gitternivån under stötkompression. Resultaten publicerades nyligen i Natur av ett team av forskare från Lawrence Livermore National Laboratory och medarbetare från University of Oxford, Los Alamos National Laboratory, University of York och SLAC National Accelerator Laboratory.

Stötkompression är ett utmanande studieområde, eftersom den kombinerar extrema förhållanden, som höga tryck och temperaturer, med ultrasnabba tidsskalor. För att förenkla problemet, forskare antar ofta att fasta material beter sig som en vätska, flyter och ändrar sin form (plasticitet) utan motstånd. Än, som fast, de flesta material behåller också en gitterstruktur. När ett material flödar, ändrar form, på något sätt måste gallret också förändras samtidigt som det regelbundna mönstret för gallret bibehålls. Studiet av plasticitet på en mycket grundläggande nivå vilar sedan på att förstå hur gittret förändras medan ett material deformeras.

Dislokation-slip (där gitterdislokationer genereras och rör sig) och tvillingar (där sub-korn bildas med ett spegelbildsgitter) är de grundläggande mekanismerna för plastisk deformation. Trots deras grundläggande betydelse för plasticitet, att diagnostisera den aktiva mekanismen på plats (under chocken) har varit svårfångad. Tidigare forskning har studerat materialet i efterhand (i "återhämtning"), vilket introducerar ytterligare komplicerande faktorer och har lett till motstridiga resultat.

"In-situ diffraktionsexperiment har funnits i några decennier men har fått framträdande först nyligen eftersom högeffektslasrar och röntgenfria elektronlasrar har gjort mätningarna mer allmänt tillgängliga, känsligare och kan nå mer extrema förhållanden, " sa Chris Wehrenberg, LLNL fysiker och huvudförfattare på tidningen. "Vårt arbete belyser ett outnyttjat studieområde, fördelningen av signal inom diffraktionsringar, som kan ge viktig information."

Teamets experiment utfördes vid den nya ändstationen Matter in Extreme Conditions, belägen vid SLAC:s Linac Coherent Light Source, som representerar framkanten i en stor, världsomspännande investeringar i anläggningar som kan koppla ihop in-situ diffraktion med tekniker med högt tryck och hög töjningshastighet.

"I dessa experiment, du startar en stötvåg med en laser, där en stråle av laseruppvärmd plasma skapar ett motsatt tryck i ditt prov, och undersök tillståndet för ditt prov med en röntgenstråle, " Sa Wehrenberg. "Röntgenstrålarna kommer att sprida bort provet i specifika vinklar, bildar diffraktionsringar, och spridningsvinkeln ger information om materialets struktur."

Trots den växande populariteten för in-situ diffraktionsexperiment, de flesta fokuserar på spridningsvinkeln och adresserar inte fördelningen av signalen inom en diffraktionsring. Även om detta tillvägagångssätt kan avslöja när ett material ändrar faser, det kommer inte att avslöja hur ett material beter sig utanför en fasövergång.

Genom att analysera förändringarna av signalfördelningen inom linjerna, teamet kunde upptäcka förändringar i gitterorienteringen, eller konsistens, och visa om ett material genomgick twinning eller slip. Dessutom, teamet kunde inte bara visa om provet — tantal, en metall med hög densitet – tvillingar eller glider när den trycks ihop, men kunde visa detta för det mesta av hela sortimentet av stöttryck.

"LLNL är djupt engagerad i materialmodellering som en del av det vetenskapsbaserade stockpile stewardship-uppdraget och har programmatiska ansträngningar för att modellera tantal på molekylär nivå, såväl som modellering av plasticitet, " Sa Wehrenberg. "Dessa resultat är direkt tillämpliga på båda dessa ansträngningar, tillhandahålla data som modellerna direkt kan jämföras med för benchmarking eller validering. I framtiden, vi planerar att samordna dessa experimentella ansträngningar med relaterade experiment på LLNL:s National Ignition Facility som studerar plasticitet vid ännu högre tryck."

Medan teknikerna för att analysera röntgendiffraktionsdata för förändringar i textur och mikrostruktur av ett material har praktiserats i kvasistatiska experiment, de är nya på området för chockexperiment. Denna kombination av tekniker är relevant för många andra områden. Till exempel, plana deformationsegenskaper i kvarts orsakade av tvillingar och mikrofraktur är en vanlig indikation på meteornedslagsplatser, och dessa egenskaper kan också påverka magnetiseringen av andra geologiska material. Liknande, Twinningen spelar en avgörande roll i det självskärpande beteendet hos ballistiska penetratorer och har kopplats till ökad duktilitet i högpresterande keramik för pansarapplikationer. Att förstå höggradig plasticitet är avgörande för att härda rymdhårdvara från dammstötar med hög hastighet och har till och med konsekvenser för bildandet av interstellära dammmoln.