據(jù)悉，更強(qiáng)的材料可能會(huì)隨著塑料流動(dòng)的新圖像而綻放。

想象一下，把一個(gè)網(wǎng)球扔到臥室的床墊上。網(wǎng)球會(huì)使床墊略微彎曲，但不是永久彎曲——把球撿起來，床墊就會(huì)恢復(fù)到原來的位置和強(qiáng)度?？茖W(xué)家稱之為彈性狀態(tài)。

如果扔下另一些重的東西，比如冰箱，這個(gè)力會(huì)把床墊推到科學(xué)家所說的塑料狀態(tài)。當(dāng)把冰箱拿開的時(shí)候，床墊會(huì)被壓縮。從這個(gè)意義上說，塑料狀態(tài)并不像你冰箱里的塑料牛奶罐，而是一種物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)的永久重新排列。

激光泵浦?電子探針實(shí)驗(yàn)和Al單晶在環(huán)境(未壓縮)條件下的衍射圖的結(jié)構(gòu)。

但一種材料的彈塑性轉(zhuǎn)變關(guān)注的不僅僅是床墊的舒適度。了解在原子水平上，當(dāng)一種材料在高壓下從彈性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄詴r(shí)會(huì)發(fā)生什么，可以讓科學(xué)家為航天器和核聚變實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)更強(qiáng)的材料。

到目前為止，科學(xué)家們一直在努力捕捉一種材料轉(zhuǎn)變成可塑性的清晰圖像，這讓他們對(duì)微小原子決定離開舒適的彈性狀態(tài)，進(jìn)入塑料世界時(shí)，它們到底在做什么一無所知。

現(xiàn)在，來自美國能源部SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們首次捕捉到了一個(gè)微小的鋁單晶樣品從彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)時(shí)的高分辨率圖像。這些圖像將使科學(xué)家們能夠在現(xiàn)象發(fā)生的5萬億分之一秒內(nèi)預(yù)測材料在經(jīng)歷塑料轉(zhuǎn)變時(shí)的行為。該團(tuán)隊(duì)今天在《自然通訊》上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。

(110)單晶Al在4.3±0.4 J cm?2激光驅(qū)動(dòng)壓縮下的衍射圖樣演化。

水晶的最后一口氣

為了捕捉鋁晶體樣品的圖像，科學(xué)家們需要施加一個(gè)力。因此，他們使用了高能激光，以足夠的力度敲打晶體，使其從彈性變?yōu)樗芰稀?/p>

當(dāng)激光產(chǎn)生的沖擊波壓縮晶體時(shí)，科學(xué)家們用SLAC的高速“電子攝像機(jī)”(MeV-UED)設(shè)備發(fā)送一束高能電子束穿過晶體。電子束從晶體中的鋁原子核和電子中散射出來，使科學(xué)家能夠精確地測量它的原子結(jié)構(gòu)。當(dāng)激光繼續(xù)壓縮樣品時(shí)，科學(xué)家們對(duì)其進(jìn)行了多次快照，這一連串的圖像形成了一種翻書式的視頻——一種定格動(dòng)畫電影，記錄了晶體的可塑性。

更具體地說，這些高分辨率的快照向科學(xué)家們展示了樣品中線條缺陷出現(xiàn)的時(shí)間和方式——這是材料受到無法恢復(fù)的巨大力量撞擊的第一個(gè)跡象。

UED實(shí)驗(yàn)(填充圓)和MD模擬(線)得到的(110)單晶Al在激光驅(qū)動(dòng)壓縮下的應(yīng)變演化。

當(dāng)高能激光擊中鋁晶體樣品時(shí)，晶體中的一些原子排移位了。利用MeV-UED的電子攝像機(jī)跟蹤這些變化——線路缺陷——顯示了晶體從彈性到塑性的過程。

SLAC的科學(xué)家Mianzhen Mo說，科學(xué)家們現(xiàn)在有這些線狀缺陷的高分辨率圖像，揭示了這些缺陷生長的速度以及它們出現(xiàn)后的移動(dòng)方式。

“了解塑性變形的動(dòng)力學(xué)將允許科學(xué)家在材料的晶格結(jié)構(gòu)中添加人工缺陷?！盡o說，“這些人工缺陷可以提供一個(gè)保護(hù)屏障，防止材料在極端環(huán)境下的高壓變形?！?/p>

UED閃耀的時(shí)刻

實(shí)驗(yàn)人員快速、清晰的圖像的關(guān)鍵是MeV-UED的高能電子，這使得研究小組每半秒就能采集圖像樣本。

“大多數(shù)人在UED實(shí)驗(yàn)中使用的是相對(duì)較小的電子能量，但我們?cè)谖覀兊膶?shí)驗(yàn)中使用的是能量高100倍的電子.”SLAC的著名科學(xué)家Wang說,“在高能的情況下，你在更短的脈沖中得到更多的粒子，這就提供了高質(zhì)量的三維圖像和更完整的過程圖像?！?/p>

研究人員希望將他們對(duì)塑性的新理解應(yīng)用到各種科學(xué)應(yīng)用中，比如用于高溫核聚變實(shí)驗(yàn)的增強(qiáng)材料。高能量密度科學(xué)主任Siegfried Glenzer說，我們迫切需要更好地了解材料在極端環(huán)境中的反應(yīng)，以預(yù)測它們?cè)谖磥砭圩兎磻?yīng)堆中的表現(xiàn)。Glenzer說:“這項(xiàng)研究的成功將有望推動(dòng)更高的激光功率，以測試更多種類的重要材料。”

該團(tuán)隊(duì)對(duì)將在ITER托卡馬克進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)材料測試感興趣，該設(shè)施希望成為第一個(gè)產(chǎn)生持續(xù)聚變能源的設(shè)施。

激光驅(qū)動(dòng)壓縮下(110)單晶Al在4.3±0.4 J cm?2的位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)。

MeV-UED是線性相干光源(LCLS)用戶設(shè)備的一種儀器，由SLAC代表美國能源部科學(xué)辦公室操作。部分研究是在洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的納米技術(shù)集成中心進(jìn)行的，該中心是美國能源部科學(xué)辦公室的一個(gè)用戶設(shè)施。美國能源部科學(xué)辦公室提供了支持，部分是通過SLAC的實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)研究和發(fā)展計(jì)劃。

來源：Ultrafast visualization of incipient plasticity in dynamicallycompressed matter ，Nature Communications，10.1038/s41467-022-28684-z