Los defectos se propagan a través del diamante a velocidades supersónicas

Los defectos pueden fortalecer el material o provocar que falle catastróficamente. Saber qué tan rápido viajan puede ayudar a los investigadores a comprender aspectos como las rupturas sísmicas, las fallas estructurales y la microfabricación.

Después de resolver medio siglo de debate, los investigadores han descubierto que pequeños defectos lineales pueden propagarse a través de la materia más rápido que las ondas sonoras.

Estos defectos de línea, o dislocaciones, son los que dan a los metales su resistencia y trabajabilidad, pero también pueden causar que los materiales fallen catastróficamente, lo que sucede cada vez que presionas la lengüeta de una lata de refresco.

El hecho de que puedan viajar a tales velocidades ofrece a los científicos una nueva apreciación de los extraordinarios tipos de daños que pueden infligir a una amplia gama de materiales en condiciones extremas, desde rocas destrozadas por un terremoto hasta materiales protectores de aviones deformados por tensiones extremas. Leora Dresselhaus-Marais, profesora del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía y de la Universidad de Stanford, quien codirigió el estudio con la profesora Norimasa Ozaki en la Universidad de Osaka.

Una onda de choque que viaja a través de un material puede crear defectos conocidos como dislocaciones: pequeños cambios en el cristal del material a través del cual se propaga, dejando atrás lo que se conoce como fallas de apilamiento. A la izquierda, la disposición regular de los átomos de materia no se altera. A la derecha, las dislocaciones se han movido de izquierda a derecha a través del material, creando un error de apilamiento (púrpura) donde las capas adyacentes del cristal no se alinean exactamente como deberían. Crédito: Greg Stewart/Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC

«Hasta ahora, nadie ha podido medir directamente la rapidez con la que estos trastornos se propagan a través de los materiales», afirmó. Su equipo utilizó radiografías de rayos X, similares a las técnicas médicas. Describieron los hallazgos en un artículo de investigación publicado el 5 de octubre en la revista Ciencias.

Persiguiendo la velocidad del sonido

Los científicos han estado debatiendo durante casi 60 años si las turbulencias pueden viajar a través de materiales más rápido que el sonido. Varios estudios han concluido que no es así. Pero algunos modelos de computadora han sugerido que esto es posible, siempre que comience a moverse más rápido que la velocidad del sonido.

Ganar esa velocidad instantáneamente requeriría un impacto masivo. Por un lado, el sonido viaja a través de sólidos mucho más rápido que a través del aire o el agua, dependiendo de la naturaleza del material y su temperatura, entre otros factores. Si bien la velocidad del sonido a través del aire se estima generalmente en 761 millas por hora, alcanza 3.355 millas por hora a través del agua y la asombrosa cifra de 40.000 millas por hora en el diamante, la sustancia más dura de todas.

Para complicar las cosas, existen dos tipos de ondas sonoras en los sólidos. Las ondas longitudinales son similares a las del aire. Pero debido a que los sólidos tienen cierta resistencia al paso del sonido, también albergan ondas de movimiento más lento conocidas como ondas sonoras transversales.

Saber si la turbulencia ultrarrápida puede romper alguna de estas barreras del sonido es importante tanto desde un punto de vista científico como práctico. Cuando las perturbaciones se mueven más rápido que la velocidad del sonido, se comportan de manera muy diferente y provocan fallos inesperados que aún no han sido modelados. Sin mediciones, nadie sabe cuánto daño podrían causar estas perturbaciones ultrarrápidas.

«Si un material estructural falla más catastróficamente de lo esperado debido a su alta tasa de falla, eso no es algo bueno», dijo Kento Katagiri, investigador postdoctoral en el grupo de investigación y primer autor del estudio. «Si una falla rompe la roca durante un terremoto, por ejemplo, podría causar más daño a todo. Necesitamos saber más sobre este tipo de falla catastrófica».

Dresselhaus-Marais añadió que los resultados de este estudio «podrían indicar que lo que pensábamos que sabíamos sobre el fallo más rápido posible de los materiales estaba equivocado».

Efecto pop superior

Para obtener las primeras imágenes directas de la rapidez con la que se propagan las turbulencias, Dresselhaus-Marais y sus colegas realizaron experimentos con el láser de rayos X de electrones libres SACLA en Japón. Realizaron experimentos con pequeños cristales de diamante sintético.

Para obtener las primeras imágenes directas de la rapidez con la que viajan las turbulencias, los investigadores utilizaron un intenso rayo láser para generar ondas de choque a través de cristales de diamante. Luego utilizaron un rayo láser de rayos X para crear una serie de imágenes de rayos X de la dislocación formándose y propagándose en una escala de tiempo de mil millonésimas de segundo. Las imágenes, que son similares a las radiografías médicas que revelan el interior del cuerpo, fueron registradas en un detector. Fuente: k. Katagiri/Universidad de Stanford

Diamond ofrece una plataforma única para estudiar cómo fallan los materiales cristalinos, dijo Katagiri. Por un lado, el mecanismo de deformación es más simple que el observado en los metales, lo que hace que los difíciles experimentos de imágenes de rayos X ultrarrápidos sean más fáciles de interpretar. Dijo: No hay otro tipo de defectos.

Cuando dos perturbaciones se encuentran, se atraen o se repelen y generan más perturbaciones. Abrir una lata de refresco de aluminio. Aleación, y muchas de las perturbaciones ya presentes en la tapa, creadas cuando se moldeó en su forma final, interactúan y producen nuevas perturbaciones por billones, que caen en cascada hasta una falla crítica absoluta cuando la parte superior de la caja se dobla y se abre. Estas interacciones y su comportamiento gobiernan todas las propiedades mecánicas de los materiales que observamos.

«En el diamante, sólo hay cuatro tipos de dislocaciones, mientras que el hierro, por ejemplo, tiene 144 tipos diferentes de dislocaciones posibles», dijo Dresselhaus-Marais.

Los investigadores dijeron que los diamantes pueden ser mucho más duros que el metal. Pero al igual que una lata de refresco, aún así se doblará formando miles de millones de dislocaciones si se la golpea con suficiente fuerza.

Generar imágenes de rayos X de ondas de choque

En SACLA, el equipo utilizó una intensa luz láser para generar ondas de choque en cristales de diamante. Luego, esencialmente tomaron una serie de imágenes de rayos X ultrarrápidas de dislocaciones que se forman y se propagan en una escala de tiempo de mil millonésimas de segundo. Sólo los láseres de electrones libres pueden emitir pulsos de rayos X lo suficientemente cortos y brillantes para capturar este proceso.

La onda de choque inicial se dividió en dos tipos de ondas que continuaron viajando a través del cristal. La primera onda, llamada onda elástica, deformó temporalmente el cristal; Sus átomos rebotaron instantáneamente a sus posiciones originales, como una banda elástica que se estira y se suelta. La segunda onda, conocida como onda plástica, distorsionó permanentemente el cristal al crear pequeños errores en los patrones repetidos de los átomos que forman la estructura cristalina.

Esta imagen de rayos X, similar a una radiografía médica, pero tomada a alta velocidad con un láser de rayos X, muestra ondas de choque que viajan a través de un cristal de diamante. La onda primaria es elástica. Sigue una onda plástica que crea defectos en el material llamados turbulencia que se propagan a través del material a velocidades más rápidas que la velocidad del sonido. La flecha muestra el camino y la dirección de una dislocación, que dejó a su paso un defecto lineal llamado falla de apilamiento. La misma dislocación aparece en la punta de la flecha. Se pueden ver otras fallas de apilamiento propagándose desde el lugar del impacto del láser. Fuente: k. Katagiri/Universidad de Stanford

Estos pequeños cambios o dislocaciones crean «grietas de apilamiento» donde las capas adyacentes del cristal se mueven entre sí de modo que no se alinean como deberían. Las fallas de apilamiento se propagan hacia afuera desde donde el láser golpea el diamante y hay una dislocación en movimiento en el extremo anterior de cada falla de apilamiento.

Utilizando rayos X, los investigadores descubrieron que las perturbaciones se propagan a través del diamante más rápido que el tipo más lento de ondas sonoras, las ondas transversales, un fenómeno nunca antes visto en ningún material.

Ahora, dijo Katagiri, el equipo planea regresar a una instalación de rayos X de electrones libres, como SACLA o Linac Coherent Light Source, LCLS, de SLAC, para ver si las perturbaciones pueden viajar más rápido que la mayor velocidad longitudinal del sonido en el diamante. , lo que requerirá descargas láser más potentes. Si rompen esa barrera del sonido, dijo, serán considerados verdaderamente supersónicos.

Referencia: “Propagación de dislocaciones transónicas en diamantes” por Kento Katagiri, Tatiana Bekoz, Lichao Fang, Bruno Albertazzi, Shunsuke Igashira, Yuichi Inubushi, Genki Kamimura, Ryusuke Kodama, Michel Koenig, Bernard Kozioszemski, Goro Masaoka, Kohei Mianshi, Hirotaka Nakamura, Masato Ota, Gabriel Rigon, Yuichi Sakawa, Takayoshi Sano, Frank Schoofs, Zoe J. Smith, Keiichi Sueda, Tadashi Togashi, Tommaso Vinci, Yifan Wang, Makina Yabashi, Toshinori Yabuchi, Liora E. Dresselhaus-Marais y Norimasa Ozaki, 5 de octubre de 2023, Ciencias.
doi: 10.1126/ciencia.adh5563

Leora Dresselhaus-Marais es investigadora del Instituto Stanford de Materiales y Ciencias (SIMES) en SLAC y del Instituto Stanford PULSE. Investigadores de la Universidad de Osaka, Instituto de Investigación de Radiación Sincrotrón de Japón, RIKEN primavera-8 Centro y Universidad de Nagoya en Japón; el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore del Departamento de Energía; Centro de Ciencias Culham en el Reino Unido; La École Polytechnique de France también contribuyó a esta investigación. La mayor parte de la financiación provino de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU.