(Phys.org) – SLAC-ledda forskare har gjort de första direkta mätningarna av en liten och extremt snabb atomomläggning, associerad med en klass som kallas martensitiska transformationer, som dramatiskt förändrar egenskaperna hos många viktiga material, som att fördubbla hårdheten hos stål och få formminnelegeringar att återgå till en tidigare form.

Med hjälp av högtrycksstötvågor och ultrakorta röntgenpulser vid Linac Coherent Light Source (LCLS), forskarna observerade detaljerna om hur denna transformation förändrade den inre atomstrukturen i ett modellsystem, perfekta nanokristaller av kadmiumsulfid. I processen, de såg för första gången att nanokristallerna passerar genom ett teoretiskt förutsagt mellantillstånd när de genomgår denna förändring.

"Att designa och konstruera nya material med önskade egenskaper, vi skulle vilja förstå de detaljerade mikroskopiska vägarna de följer när de transformerar, "sa lagets ledare, Aaron Lindenberg, en biträdande professor vid SLAC och Stanford. "Den martensitiska omvandlingen är särskilt viktig eftersom den sker i så många viktiga material. Vår teknik bör i slutändan hjälpa oss att se vad som händer i andra atomära transformationer också."

Teamets forskningsresultat publicerades förra månaden i Nanobokstäver .

Uppkallad efter den banbrytande tyska metallurgen Adolf Martens, den martensitiska transformationen involverar kollektiva kortdistansrörelser av atomerna i ett kristallint fast ämne när det reagerar på stress. Det har studerats i mer än 100 år efter att Martens och kollegor identifierade att en förändrad kristallin form i snabbt kylt högkolhaltigt stål var ansvarig för dess förbättrade hårdhet. Medan de faktiska atomrörelserna i martensitiska transformationer vanligtvis är mindre än en nanometer, de kan ha enorma effekter på ett materials egenskaper. Förutom att härda stål och underlätta formminnelegeringar, den martensitiska transformationen ligger till grund för så olika fenomen som geologisk deformation på grund av plattektonik och mekanismen genom vilken invaderande virus punkterar cellväggarna.

De träffade en metallfolie med en intensiv infraröd laserpuls, får den att explodera och skicka en högtryckschock som kraschar genom nanokristallerna. Trycket från den passerande stötvågen initierade omvandlingen. LCLS-röntgenpulserna var tidsinställda för att träffa provet vid olika split-second gånger efter chocken, producerar stoppverkande röntgendiffraktionsbilder som visade de exakta positionerna för nanokristallens atomer under olika stadier av transformationen, som tog bara 50 biljoner sekunder av att slutföra. Forskarna varierade också laserintensiteten för att skapa stötar av olika topptryck.

Teamet fann att omvandlingarna som orsakades av de högre tryckstötarna fortsatte direkt från sexkantigt till kubiskt, medan de som utlöstes av de lägre tryckstötarna bildade ett tillfälligt mellantillstånd. Beräknade simuleringar av andra forskare hade förutspått mellanliggande, sa Lindenberg. Men frånvaron i högtrycksfallet kan vara en indikation på att starka stötar fungerar som katalysatorer, sänker energibarriären för omvandlingen så att den kan fortsätta direkt.

"Denna uppsättning experiment visar kraften i att använda LCLS, högeffektlasrar och nanokristaller för att undersöka de snabba atomära omarrangemang som är så viktiga för att skapa materialegenskaper, "Sa Lindenberg." Tills nu, det har bara gjorts teoretiska beräkningar av hur dessa transformationer ska ske. Nu kan vi lära oss vad som verkligen händer."