Figura 1. Il diagramma schematico della configurazione sperimentale e l'imaging del modello di diffrazione dei raggi X. Il bersaglio a lamina di metallo sottile è guidato da un'onda d'urto generata da un laser di potenza focalizzato (lato inferiore in Fig. 1). Irradiare XFEL per campionare dietro significa osservare i fenomeni di frattura ad altissima velocità. La sequenza di immagini delle istantanee di diffrazione di raggi X con un'esposizione al femtosecondo è ottenuta da esperimenti ripetuti che modificano l'intervallo di tempo tra il laser di potenza e l'XFEL. Credito:Università di Osaka
Mai chiesto, durante la crociera a 36 anni, 000 piedi sopra l'Atlantico, cosa accadrebbe se un pezzo di satellite, asteroide, o altri detriti sono entrati in collisione con il tuo aereo?
La frattura dinamica è la frammentazione di un materiale a causa dello stress, come durante l'impatto. Questo è importante per la schermatura dai detriti dei materiali utilizzati negli aerei, navicella spaziale, satelliti, reattori nucleari e armature, così come nell'ingegneria generale e nella produzione.
Fino ad ora, la frattura dinamica dei materiali è stata osservata solo utilizzando tecniche su larga scala, come la misurazione della velocità dei frammenti o l'esame forense dei campioni. La frattura dinamica su scala atomica poteva essere studiata solo usando simulazioni al computer, poiché l'intervallo di dimensioni osservabili nei materiali mediante tecniche sperimentali era troppo ristretto. Però, questo è cambiato grazie a una nuova tecnica segnalata da un team guidato dall'Università di Osaka per osservare direttamente la frattura dinamica nei metalli.
I ricercatori hanno utilizzato una pompa laser e una sonda a raggi X per rilevare il movimento, come allungamento e compressione, nella struttura atomica del tantalio sotto stress elevato. Nello specifico, un laser produce uno shock in un sottile pezzo di tantalio, un metallo utilizzato nelle leghe per aumentarne la forza e la resistenza alla corrosione. La sonda a raggi X misura quindi la spaziatura degli atomi nel lato opposto del tantalio. Questa tecnica è estremamente sensibile agli atomi vicino alla superficie, che sono quelli più strettamente associati al danno superficiale.
Figura 2. sopra:Sezione trasversale della tipica spallazione di un materiale. Si vedono chiaramente grandi danni sulla parte inferiore della superficie posteriore. Sotto:distribuzione di detriti spaziali nell'orbita terrestre. Esistono detriti con una velocità superiore a 10 km/sec e possono causare gravi danni (su stazioni spaziali e satelliti). Credito:ESA e NASA
"L'evoluzione della deformazione reticolare associata alla frattura ultraveloce nel tantalio è data da una serie temporale di modelli di diffrazione dei raggi X, " spiega il dottor Bruno Albertazzi. "Questa deformazione ci mostra la parte sconvolta del tantalio, che è estremamente piccolo, ma l'urto viaggia attraverso il tantalio a quasi cinque chilometri al secondo." Non dovrebbe quindi sorprendere che la forza del tantalio venga compromessa. Le misurazioni, effettuato presso il complesso di sincrotrone Spring-8 in Giappone, mostrano una diminuzione della spaziatura degli atomi di tantalio immediatamente prima della frattura. Il team convalida le proprie osservazioni dimostrando una stretta corrispondenza con le simulazioni al computer.
Questa tecnica può essere utilizzata per studiare la fessurazione ad alta velocità e altri effetti legati allo stress. "Questo metodo colma il divario nella comprensione della relazione tra struttura atomica e proprietà dei materiali, " afferma il professore associato Norimasa Ozaki. Il movimento nella struttura atomica di un materiale sotto stress può ora essere osservato in tempo reale, e si può determinare un'importante proprietà del materiale, lo stress richiesto per la frattura. Questa conoscenza andrà a beneficio della progettazione e produzione di apparecchiature e tecnologie in cui la resistenza all'impatto è fondamentale.
