科学家首次捕捉到微小铝单晶从弹性过渡到塑性状态时的高分辨率照片

想象一下，把一个网球扔到卧室的床垫上。网球会使床垫有点弯曲，但不是永久性的--把球捡起来，床垫就会恢复到原来的位置和强度。科学家称这是一种弹性状态。另一方面，如果你扔下重物--如冰箱--力量会将床垫推到科学家所说的塑性状态。在这个意义上，塑性状态与你冰箱里的塑料奶瓶不同，而是一种材料原子结构的永久性重新排列。当你移开冰箱时，床垫会被压缩，至少可以说是不舒服的。

但是，材料的弹塑性转变不仅仅关系到床垫的舒适度。了解当一种材料在高压下从弹性过渡到塑性时，在原子层面上发生了什么，可以让科学家为航天器和核聚变实验设计更强大的材料。

到目前为止，科学家们在过去未能捕捉到材料转变为塑性的清晰图像，使他们对微观原子在决定离开其舒适的弹性状态并进入塑性世界时正在做什么一无所知。

美国能源部SLAC国家加速器实验室的科学家们首次捕捉到了一个微小的铝单晶样品从弹性状态过渡到塑性状态时的高分辨率照片。这些图像将使科学家们能够在现象发生的五万亿分之一秒内预测材料在经历塑性转变时的表现。这些发现最近发表在《自然通讯》杂志上。

科学家们需要在铝制晶体样品上施加力量以拍摄图像，而冰箱显然太大。相反，他们利用一个高能激光器用力敲击晶体，使其状态从弹性变为塑性。

科学家们利用SLAC的快速 “电子相机”，或兆电子伏超快电子衍射(MeV-UED)仪器，在激光产生的冲击波压缩晶体时，将高能电子束穿过晶体。该电子束对晶体中的铝核和电子的散射使科学家能够精确地确定原子结构。当激光继续压缩样品时，科学家们拍摄了几张快照，形成了一种晶体在塑性过程中“跳舞的定格电影”。

更具体地说，高分辨率的快照向科学家们展示了样品中何时以及如何出现线状缺陷--这是一种材料被击中的力量大到无法恢复的第一个迹象。

线状缺陷就像网球拍上的断线。例如，如果你用你的网球拍轻轻地打一个网球，你的网球拍的线会振动一下，但会回到它们原来的位置。然而，如果你用球拍打保龄球，球线就会变形离开原位，无法反弹。同样地，当高能激光击中铝晶体样品时，晶体中的一些原子行会移位。使用MeV-UED的电子照相机跟踪这些移动--线状缺陷--显示了晶体从弹性到塑性的过程。

科学家们现在有了这些线状缺陷的高分辨率图像，揭示了缺陷生长的速度以及它们一旦出现后是如何移动的，SLAC科学家Mianzhen Mo说。

Mianzhen说：“了解塑性变形的动态，将使科学家能够在材料的晶格结构中添加人工缺陷。这些人工缺陷可以提供一个保护屏障，使材料在极端环境中的高压下不发生变形。”

实验人员快速、清晰的图像的关键是MeV-UED的高能电子，它使该团队能够每半秒拍摄一次样品图像。“大多数人在UED实验中使用相对较小的电子能量，但我们在实验中使用的是100倍的高能电子，”SLAC的杰出科学家Xijie Wang说。“在高能量下，你在更短的脉冲中获得更多的粒子，这提供了质量极佳的3D图像和更完整的过程图。”

研究人员希望将他们对塑性的新理解应用于不同的科学应用，例如加强用于高温核聚变实验的材料。高能密度科学主任Siegfried Glenzer说，迫切需要更好地了解材料在极端环境中的反应，以预测它们在未来聚变反应堆中的性能。

Glenzer说：“这项研究的成功将有望促使实施更高的激光功率来测试更多种类的重要材料。”

该团队有兴趣为将在ITER托卡马克进行的实验测试材料，该设施希望成为第一个产生持续聚变能量的设施。

MeV-UED是Linac相干光源（LCLS）用户设施的一个仪器，由SLAC代表DOE科学办公室运营。部分研究是在洛斯阿拉莫斯国家实验室的综合纳米技术中心进行的，该中心是美国能源部科学办公室的用户设施。能源部科学办公室提供了支持，部分是通过SLAC的实验室指导研究和发展计划。