En forskare från Lawrence Livermore National Laboratory och medarbetare har visat det första "defektmikroskopet" någonsin som kan spåra hur populationer av defekter djupt inne i makroskopiska material rör sig kollektivt.

Forskningen, dyker upp idag i Vetenskapens framsteg , visar ett klassiskt exempel på en dislokationsgräns (linjedefekt), visar sedan hur dessa samma defekter rör sig exotiskt precis vid kanten av smälttemperaturer.

"Detta arbete utgör ett stort steg framåt för materialvetenskap, fysik och relaterade områden, eftersom det erbjuder ett unikt nytt sätt att se de "mellanliggande skalor" som kopplar mikroskopiska defekter till bulkegenskaperna de orsakar, sa Leora Dresselhaus-Marais, en tidigare Lawrence-stipendiat och nu biträdande professor i materialvetenskap och teknik vid Stanford University.

Att koppla ett bulkmaterials mikroskopiska defekter till dess makroskopiska egenskaper är ett urgammalt problem inom materialvetenskap. Långdistansinteraktioner mellan dislokationer är kända för att spela en nyckelroll i hur material deformeras eller smälter, men forskare har hittills saknat verktygen för att koppla denna dynamik till de makroskopiska egenskaperna.

Defekter ligger bakom många av de mekaniska, materials termiska och elektroniska egenskaper. Ett framträdande exempel är dislokationen, vilket är en utökad linjär defekt i atomgittret som gör det möjligt för kristallina material att permanent ändra sin form under belastning. Omfånget av hårdhet och bearbetbarhet i duktila material uppstår på grund av hur deras dislokationer kan röra sig och interagera.

I den nya forskningen, teamet använde tidsupplöst mörkfältsröntgenmikroskopi (DFXM) för att direkt visualisera hur dislokationer rör sig och interagerar över hundratals mikrometer djupt inuti bulkaluminium. Med realtidsfilmer, de visade att den termiskt aktiverade rörelsen och interaktionerna av dislokationer som utgör en gräns och visar hur försvagade bindningskrafter destabiliserar strukturen vid 99 procent av smälttemperaturen.

Teamet löste den individuella och kollektiva rörelsen av dislokationerna i en dislokationsgräns (DB) under ytan av enkristallaluminium. Deras bilder kartlägger hur DB migrerar längs en mycket låg vinkelgräns när den värms upp från 97 procent till 99 procent av smälttemperaturen (660 grader Celsius). De zoomade sedan in på hur dislokationer går in och lämnar gränsen, vilket får två DB-segment att smälta samman och stabiliseras till en sammanhängande struktur. När DB:n sedan migrerar och ökar sitt avstånd mellan dislokationer, de observerade hur gränsen destabiliserades.

"Genom att visualisera och kvantifiera termiskt aktiverad dynamik som tidigare var begränsad till teori, vi visar en ny klass av bulkmätningar som nu är tillgänglig med tidsupplöst DFXM, erbjuder nyckelmöjligheter inom materialvetenskap, " sa Dresselhaus-Marais.

I teamet ingår också forskare från Danmarks Tekniska Universitet, Nevada National Security Site, CEA Grenoble, Universität für Bodenkultur Wien i Wien och European Synchrotron Radiation Facility. Arbetet finansierades av LLNL:s Lawrence Fellowship och finansiering från Laboratory Directed Research and Development-programmet.