Forskare vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory har spelat in den mest detaljerade atomfilmen av guld som smälter efter att ha sprängts av laserljus. De insikter de fått om hur metaller blir flytande har potential att hjälpa utvecklingen av fusionskraftreaktorer, stålbearbetningsanläggningar, rymdfarkoster och andra applikationer där material måste klara extrema förhållanden under långa tidsperioder.

Kärnfusion är den process som driver stjärnor som solen. Forskare vill kopiera denna process på jorden som ett relativt rent och säkert sätt att generera praktiskt taget obegränsade mängder energi. Men för att bygga en fusionsreaktor, de behöver material som kan överleva att utsättas för temperaturer på några hundra miljoner grader Fahrenheit och intensiv strålning som produceras i fusionsreaktionen.

"Vår studie är ett viktigt steg mot bättre förutsägelser om effekterna av extrema förhållanden på reaktormaterial, inklusive tungmetaller som guld, " sa SLAC postdoktor Mianzhen Mo, en av huvudförfattarna till en studie som publicerades idag i Vetenskap . "Beskrivningen på atomnivå av smältprocessen kommer att hjälpa oss att göra bättre modeller av kort- och långtidsskadorna i dessa material, såsom sprickbildning och materialfel."

Studien använde SLAC:s höghastighetselektronkamera – ett instrument för ultrasnabb elektrondiffraktion (UED) – som kan spåra kärnrörelser med en slutartid på cirka 100 miljondelar av en miljarddels sekund, eller 100 femtosekunder.

Smälter i fickor

Teamet upptäckte att smältningen började vid ytorna av korn i nanostorlek i guldprovet - regioner där guldatomerna prydligt radade upp sig i kristaller - och vid gränserna mellan dem.

"Detta beteende hade förutspåtts i teoretiska studier, men vi har nu faktiskt observerat det för första gången, " sa Siegfried Glenzer, chef för SLAC:s High Energy Density Science Division och studiens huvudutredare. "Vår metod tillåter oss att undersöka beteendet hos vilket material som helst i extrema miljöer i atomär detalj, vilket är nyckeln till att förstå och förutsäga materialegenskaper och kan öppna nya vägar för design av framtida material."

För att studera smältprocessen, forskarna fokuserade laserstrålen på ett prov av guldkristaller och såg hur atomkärnorna i kristallerna reagerade, använder UED-instrumentets elektronstråle som en sond. Genom att sy ihop ögonblicksbilder av atomstrukturen tagna vid olika tidpunkter efter laserträffen, de skapade en stop-motion-film om de strukturella förändringarna över tiden.

"Omkring 7 till 8 biljondelar av en sekund efter laserblixten, vi såg det fasta ämnet börja förvandlas till en vätska, " sa SLAC postdoktor Zhijang Chen, en av studiens huvudförfattare. "Men det fasta ämnet blev inte flytande överallt samtidigt. Istället, vi observerade bildandet av vätskefickor omgivna av fast guld. Denna blandning utvecklades med tiden tills bara vätska var kvar efter ungefär en miljarddels sekund."

Superb "Electron Vision"

För att komma till denna detaljnivå, forskarna behövde en speciell kamera som SLAC:s UED-instrument, som kan se atomernas sammansättning av material och är tillräckligt snabb för att spåra extremt snabba rörelser av atomkärnor.

Och eftersom smältningsprocessen är destruktiv, en annan egenskap hos instrumentet var också helt avgörande.

"I vårt experiment, provet smälte och förångade slutligen, " sa acceleratorfysikern Xijie Wang, chef för SLAC:s UED-initiativ. "Men även om vi kunde kyla ner det så att det blir fast igen, det skulle inte ha exakt samma startstruktur. Så, för varje bildruta i atomfilmen vill vi samla in all strukturell information i ett engångsexperiment – ​​en enda passage av elektronstrålen genom provet. Vi kunde göra just det eftersom vårt instrument använder en mycket energisk elektronstråle som producerar en stark signal."