Исследователи Национальной лаборатории ускорителей SLAC Министерства энергетики записали самый подробный атомный фильм о плавлении золота после взрыва лазерным излучением. Понятия, которые они получили, о том, как сжижать металлы, могут помочь в разработке реакторов слияния, сталеплавильных заводов, космических аппаратов и других применений, где материалы должны выдерживать экстремальные условия в течение длительных периодов времени.
Ядерный синтез - это процесс, который управляет звездами, такими как солнце. Ученые хотят скопировать этот процесс на Земле как относительно чистый и безопасный способ получения практически неограниченного количества энергии. Но для создания термоядерного реактора им нужны материалы, которые могут выжить, подвергаясь воздействию температур в несколько сотен миллионов градусов по Фаренгейту и интенсивному излучению, полученному в реакции синтеза.
«Наше исследование является важным шагом на пути к лучшим прогнозам экстремальных эффектов, которые могут иметь экстремальные условия для реакторных материалов, включая тяжелые металлы, такие как золото», - сказал докторант SLAC Мианжен Мо, один из ведущих авторов исследования, опубликованного сегодня в Science . «Описание процесса плавления на атомном уровне поможет нам улучшить модели краткосрочного и долгосрочного повреждения этих материалов, таких как образование трещин и разрушение материала».
В исследовании использовалась высокоскоростная электронная камера SLAC - прибор для сверхбыстрой дифракции электронов (UED), который способен отслеживать ядерные движения со скоростью затвора около 100 миллионных долей миллионной доли секунды или 100 фемтосекунд.
Плавление в карманах
Команда обнаружила, что плавление началось с поверхностей наноразмерных зерен в пределах образца золота - областей, в которых атомы золота аккуратно выстраиваются в кристаллы - и на границах между ними.
«Такое поведение было предсказано в теоретических исследованиях, но сейчас мы наблюдаем это впервые», - сказал Зигфрид Гленцер, глава отдела исследований высокой плотности энергии SLAC и главный исследователь исследования. «Наш метод позволяет нам исследовать поведение любого материала в экстремальных условиях в атомных деталях, что является ключом к пониманию и прогнозированию свойств материала и может открыть новые возможности для разработки будущих материалов».
Для изучения процесса плавления исследователи сфокусировали лазерный луч на образце кристаллов золота и наблюдали за тем, как атомные ядра в кристаллах реагировали, используя электронный пучок прибора UED в качестве зонда. Сшив вместе снимки атомной структуры, сделанные в разное время после попадания лазера, они создали фильм с остановкой движения структурных изменений с течением времени.
«Примерно через 7-8 триллионов секунд после лазерной вспышки мы увидели, что твердое вещество превращается в жидкость», - сказал один из ведущих авторов исследования исследовательский исследователь SLAC по докторантуре Чжижан Чэнь. «Но твердое вещество не разжижалось повсюду в одно и то же время, вместо этого мы наблюдали образование карманов жидкости, окруженных твердым золотом. Эта смесь развивалась со временем, пока только одна жидкость не осталась после примерно миллиардной доли секунды».
Превосходное электронное видение
Чтобы добраться до этого уровня детализации, исследователям понадобилась специальная камера, такая как UED-инструмент SLAC, который способен видеть атомный состав материалов и достаточно быстр, чтобы отслеживать чрезвычайно быстрые движения атомных ядер.
И поскольку процесс плавления разрушительный, еще одна особенность инструмента также была абсолютно важной.
«В нашем эксперименте образец в конечном счете расплавился и испарился», - сказал физик-ускоритель Xijie Wang, руководитель инициативы UAC SLAC. «Но даже если бы мы смогли охладить его, чтобы он снова стал твердым, у него не было бы такой же начальной структуры. Итак, для каждого кадра атомного фильма мы хотим собрать всю структурную информацию в одном - экспериментальный эксперимент - один проход электронного пучка через образец. Мы смогли это сделать, потому что наш прибор использует очень энергичный электронный луч, который дает сильный сигнал ».
