Elasticitet, förmågan hos ett objekt att studsa tillbaka till sin ursprungliga form, är en universell egenskap i fasta material. Men när man trycker för långt, material förändras på oåterkalleligt sätt:Gummiband snäpper på mitten, metallramar böjer eller smälter och telefonskärmar krossas.

Till exempel, när kisel, ett element rikligt i jordskorpan, utsätts för extrem värme och tryck, en initial "elastisk" stötvåg går genom materialet, lämnar det oförändrat, följt av en "oelastisk" chockvåg som oåterkalleligt förvandlar materialets struktur.

Med hjälp av en ny teknik, forskare kunde direkt titta på och avbilda denna process. Till deras förvåning, de upptäckte att det innehöll ett extra steg som inte hade setts tidigare:Efter att den första elastiska stötvågen reste genom kislet, en andra elastisk våg dök upp innan den sista oelastiska vågen ändrade materialets egenskaper.

Deras resultat publicerades i Vetenskapliga framsteg förra veckan.

"Vi upptäckte att denna omvandling är mer nyanserad än tidigare trott, "säger Shaughnessy Brennan Brown, en postdoktor vid Stanford University och forskarassistent vid Institutionen för energis SLAC National Accelerator Laboratory som ledde analysen. "Vi belyste en helt ny funktion som potentiellt kan observeras i andra material."

Att se genom ett nytt objektiv

Förutom att bidra till en djupare förståelse av kisel, ett material som är viktigt inom områden som teknik, geofysik och plasmafysik, denna nya teknik belyser vägen för att lösa problem inom andra områden.

"Plattformen som Shaughnessy utvecklat är också användbar inom områden som meteoritik, "säger medförfattaren Arianna Gleason-Holbrook, en personalvetare vid Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) vid SLAC. "Låt oss säga en stor metallkropp, som den kvarvarande kärnan av någon planet, träffar en markplanet. Denna teknik gör att vi kan zooma in och spatialt gå igenom historien om den typen av chock för att svara på ett antal viktiga frågor, som hur livet levereras till en ny planet eller vad som händer under asteroidkollisioner. "

"Det är nästan som om du har haft suddig vision ett tag, " Hon sa, "men då tar du på dig glasögon och världen öppnar sig. Det vi har gjort i det här papperet är att ge en ny lins på materialegenskaperna."

Fånga vågen

På SLAC, forskare kan se vad som händer djupt i magen på prover genom att träffa dem med ultrasnabba röntgenlaserpulser från Linac Coherent Light Source (LCLS), och sedan använda de mönster som bildas av de spridda röntgenstrålarna för att rekonstruera bilder.

Vid Matter in Extreme Conditions (MEC) instrument, forskare spränger proverna med intensiva pulser från en andra högeffektlaser innan de träffar dem med röntgenstrålar för att se hur material reagerar på extrem värme och tryck. I många experiment, forskare placerar dessa två lasrar nästan parallellt med varandra. Detta hjälper dem att förstå hur materialet förändras över tid men ger dem ingen klar bild av hur dessa strukturella omvandlingar faktiskt ser ut.

En viktig egenskap hos tekniken som används i detta dokument är att forskarna utnyttjade en ny laserplacering som hade använts i tidigare papper, skjuta pulserna från den andra lasern vinkelrätt mot röntgenpulserna från LCLS. Denna olika utsiktspunkt gjorde det möjligt för dem att se svårfångade strukturella förändringar av kislet när de inträffade, vilket är hur de avbildade den andra vågen som rör sig genom kislet.

Brett spektrum av vågar

Denna nya experimentella inställning tillät också forskarna att förstora det de såg, öka upplösningen av deras bilder och låta dem få en helhetsbild av vad som hände med kislet på en mängd olika skalor, från det mikroskopiska till det makroskopiska.

Att följa upp, forskarna kommer att upprepa experimentet under mycket mer extrema förhållanden och tillämpa det på en mycket bredare klass av material för att ta reda på om de fortfarande ser detta extra steg, vilket kommer att leda till en bättre förståelse för hur material transformeras.

"Vi har försökt förstå grundläggande processer för materiell transformation utan att alltid se hela bilden, "Brennan Brown säger." Många forskare använder smarta tekniker för att närma sig problemet från olika håll. Det fina med denna nya plattform är dess tydlighet, direkthet och omfattning. "