Per la prima volta, gli scienziati hanno riportato esperimenti di diffrazione in situ che misurano il gemellaggio delle deformazioni a livello del reticolo durante la compressione d'urto. I risultati sono stati recentemente pubblicati in Natura da un team di ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory e collaboratori dell'Università di Oxford, Laboratorio Nazionale di Los Alamos, l'Università di York e SLAC National Accelerator Laboratory.

La compressione d'urto è un'area di studio impegnativa, in quanto combina condizioni estreme, come pressioni e temperature elevate, con tempi ultrarapidi. Per semplificare il problema, gli scienziati spesso presumono che i materiali solidi si comportino come un fluido, scorre e cambia forma (plasticità) senza resistenza. Ancora, come un solido, la maggior parte dei materiali mantiene anche una struttura reticolare. Come un materiale scorre, cambiando forma, in qualche modo anche il reticolo deve cambiare pur mantenendo lo schema regolare del reticolo. Lo studio della plasticità a un livello più fondamentale si basa quindi sulla comprensione di come cambia il reticolo mentre un materiale si deforma.

Dislocazione-scorrimento (dove le dislocazioni reticolari vengono generate e si muovono) e gemellaggio (dove i sub-grani si formano con un reticolo speculare) sono i meccanismi di base della deformazione plastica. Nonostante la loro fondamentale importanza per la plasticità, la diagnosi del meccanismo attivo in situ (durante lo shock) è stata elusiva. Ricerche precedenti hanno studiato il materiale dopo il fatto (in "recupero"), che introduce ulteriori fattori di complicazione e ha portato a risultati contrastanti.

"Gli esperimenti di diffrazione in situ sono in circolazione da alcuni decenni, ma hanno acquisito importanza solo di recente poiché i laser ad alta potenza e i laser a elettroni liberi a raggi X hanno reso le misurazioni più ampiamente disponibili, più sensibile e capace di raggiungere condizioni più estreme, " ha detto Chris Wehrenberg, Fisico LLNL e autore principale dell'articolo. "Il nostro lavoro evidenzia un'area di studio non sfruttata, la distribuzione del segnale all'interno degli anelli di diffrazione, che può fornire informazioni importanti."

Gli esperimenti del team sono stati condotti presso la nuova stazione terminale Matter in Extreme Conditions, situato presso la Linac Coherent Light Source di SLAC, che rappresenta l'avanguardia in un grande, investimenti mondiali in strutture in grado di accoppiare la diffrazione in situ con tecniche ad alta pressione e alta velocità di deformazione.

"In questi esperimenti, lanci un'onda d'urto con un laser, dove un getto di plasma riscaldato al laser crea una pressione opposta nel campione, e sondare lo stato del tuo campione con un raggio di raggi X, " ha detto Wehrenberg. "I raggi X si disperderanno dal campione ad angoli specifici, formare anelli di diffrazione, e l'angolo di diffusione fornisce informazioni sulla struttura del materiale."

Nonostante la crescente popolarità degli esperimenti di diffrazione in situ, la maggior parte si concentra sull'angolo di diffusione e non affronta la distribuzione del segnale all'interno di un anello di diffrazione. Sebbene questo approccio possa rivelare quando un materiale cambia fase, non rivelerà come si comporta un materiale al di fuori di una transizione di fase.

Analizzando i cambiamenti della distribuzione del segnale all'interno delle linee, il team potrebbe rilevare i cambiamenti nell'orientamento del reticolo, o consistenza, e mostrare se un materiale era in fase di gemellaggio o slittamento. Inoltre, il team non solo ha potuto dimostrare se il campione, tantalio, un metallo ad alta densità:si gemella o scivola quando viene compresso da un urto, ma sono stati in grado di dimostrarlo per la maggior parte dell'intera gamma di pressioni d'urto.

"LLNL è profondamente impegnata nella modellazione dei materiali come parte della missione di gestione delle scorte basata sulla scienza e ha sforzi programmatici per modellare il tantalio a livello molecolare, così come la modellazione della plasticità, " Wehrenberg ha detto. "Questi risultati sono direttamente applicabili a entrambi questi sforzi, fornendo dati con cui i modelli possono essere direttamente confrontati per il benchmarking o la convalida. Nel futuro, abbiamo in programma di coordinare questi sforzi sperimentali con esperimenti correlati sulla National Ignition Facility di LLNL che studiano la plasticità a pressioni ancora più elevate".

Mentre le tecniche per analizzare i dati di diffrazione dei raggi X per le modifiche alla trama e alla microstruttura di un materiale sono state praticate in esperimenti quasi statici, sono nuovi nel campo degli esperimenti d'urto. Questa combinazione di tecniche è rilevante per molti altri campi. Ad esempio, le caratteristiche di deformazione planare nel quarzo causate da gemellaggi e microfratture sono un'indicazione comune di siti di impatto meteorico, e queste caratteristiche possono anche influenzare la magnetizzazione di altri materiali geologici. Allo stesso modo, il gemellaggio svolge un ruolo cruciale nel comportamento autoaffilante dei penetratori balistici ed è stato collegato a una maggiore duttilità nelle ceramiche ad alte prestazioni per applicazioni di armature. Comprendere la plasticità ad alta velocità è fondamentale per l'indurimento dell'hardware spaziale dagli impatti della polvere iperveloci e ha anche implicazioni per la formazione di nuvole di polvere interstellare.