Studi di diffrazione elettronica mega-elettronvolt della transizione di fase solido-liquido ultraveloce in oro monocristallino. (A a C) Istantanee dei modelli di diffrazione grezzi a tempi di ritardo selettivi della pompa-sonda per la fusione omogenea a e =1,17 MJ/kg. (da E a G) Fusione eterogenea a e =0,36 MJ/kg. (da I a K) Fusione incompleta a e =0,18 MJ/kg. Le rimesse laterali mediate radialmente dei modelli di diffrazione visualizzati insieme alle rimesse laterali di riferimento prese con ritardo negativo sono mostrate in (D), (H), e (L) per queste diverse densità di energia, rispettivamente. Le barre di colore rappresentano l'intensità di dispersione in unità arbitrarie. Credito:(c) Scienza (2018). DOI:10.1126/science.aar2058
I ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno registrato il film atomico più dettagliato della fusione dell'oro dopo essere stato colpito dalla luce laser. Le intuizioni che hanno acquisito sul modo in cui i metalli si liquefanno hanno il potenziale per aiutare lo sviluppo di reattori a fusione, impianti di lavorazione dell'acciaio, veicoli spaziali e altre applicazioni in cui i materiali devono resistere a condizioni estreme per lunghi periodi di tempo.
La fusione nucleare è il processo che alimenta le stelle come il sole. Gli scienziati vogliono copiare questo processo sulla Terra come un modo relativamente pulito e sicuro di generare quantità virtualmente illimitate di energia. Ma per costruire un reattore a fusione, hanno bisogno di materiali che possano sopravvivere all'esposizione a temperature di poche centinaia di milioni di gradi Fahrenheit e alle intense radiazioni prodotte nella reazione di fusione.
"Il nostro studio è un passo importante verso una migliore previsione degli effetti che le condizioni estreme hanno sui materiali dei reattori, compresi i metalli pesanti come l'oro, " ha detto il ricercatore postdottorato SLAC Mianzhen Mo, uno dei principali autori di uno studio pubblicato oggi in Scienza . "La descrizione a livello atomico del processo di fusione ci aiuterà a creare modelli migliori del danno a breve e lungo termine in quei materiali, come la formazione di crepe e la rottura del materiale".
Lo studio ha utilizzato la fotocamera elettronica ad alta velocità di SLAC, uno strumento per la diffrazione elettronica ultraveloce (UED), che è in grado di tracciare i movimenti nucleari con una velocità dell'otturatore di circa 100 milionesimi di miliardesimo di secondo, o 100 femtosecondi.
Sciogliere in tasca
Il team ha scoperto che la fusione è iniziata sulle superfici dei grani di dimensioni nanometriche all'interno del campione d'oro, regioni in cui gli atomi d'oro si allineano ordinatamente in cristalli, e ai confini tra di loro.
"Questo comportamento era stato previsto in studi teorici, ma ora l'abbiamo effettivamente osservato per la prima volta, " disse Siegfried Glenzer, capo della divisione scientifica ad alta densità energetica dello SLAC e ricercatore principale dello studio. "Il nostro metodo ci consente di esaminare il comportamento di qualsiasi materiale in ambienti estremi in dettaglio atomico, che è la chiave per comprendere e prevedere le proprietà dei materiali e potrebbe aprire nuove strade per la progettazione di materiali futuri".
Per studiare il processo di fusione, i ricercatori hanno focalizzato il raggio laser su un campione di cristalli d'oro e hanno osservato come hanno risposto i nuclei atomici nei cristalli, utilizzando il fascio di elettroni dello strumento UED come sonda. Ricucendo insieme istantanee della struttura atomica scattate in vari momenti dopo l'impatto del laser, hanno creato un film in stop-motion dei cambiamenti strutturali nel tempo.
"Circa 7-8 trilionesimi di secondo dopo il flash laser, abbiamo visto il solido cominciare a trasformarsi in liquido, " ha detto il ricercatore postdottorato SLAC Zhijang Chen, uno degli autori principali dello studio. "Ma il solido non si è liquefatto dappertutto allo stesso tempo. Invece, abbiamo osservato la formazione di sacche di liquido circondate da oro massiccio. Questo mix si è evoluto nel tempo fino a quando è rimasto solo liquido dopo circa un miliardesimo di secondo".
Superba "visione elettronica"
Per arrivare a questo livello di dettaglio, i ricercatori avevano bisogno di una fotocamera speciale come lo strumento UED di SLAC, che è in grado di vedere la composizione atomica dei materiali ed è abbastanza veloce da seguire i movimenti estremamente rapidi dei nuclei atomici.
E poiché il processo di fusione è distruttivo, anche un'altra caratteristica dello strumento era assolutamente cruciale.
"Nel nostro esperimento, il campione alla fine si è sciolto e vaporizzato, " ha detto il fisico dell'acceleratore Xijie Wang, responsabile dell'iniziativa UED di SLAC. "Ma anche se fossimo in grado di raffreddarlo in modo che diventi di nuovo un solido, non avrebbe la stessa identica struttura di partenza. Così, per ogni fotogramma del film atomico vogliamo raccogliere tutte le informazioni strutturali in un esperimento a colpo singolo:un singolo passaggio del fascio di elettroni attraverso il campione. Siamo stati in grado di farlo perché il nostro strumento utilizza un fascio di elettroni molto energico che produce un segnale forte".
