Elasticità, la capacità di un oggetto di tornare alla sua forma originale, è una proprietà universale nei materiali solidi. Ma quando spinto troppo lontano, i materiali cambiano in modi irrecuperabili:gli elastici si spezzano a metà, le strutture metalliche si piegano o si sciolgono e gli schermi del telefono si frantumano.

Ad esempio, quando il silicio, un elemento abbondante nella crosta terrestre, è soggetto a temperature e pressioni estreme, un'onda d'urto "elastica" iniziale viaggia attraverso il materiale, lasciandolo invariato, seguita da un'onda d'urto "anelastica" che trasforma irreversibilmente la struttura del materiale.

Utilizzando una nuova tecnica, i ricercatori sono stati in grado di osservare e visualizzare direttamente questo processo. Con loro sorpresa, hanno scoperto che includeva un passaggio in più che non era stato visto prima:dopo che la prima onda d'urto elastica ha viaggiato attraverso il silicio, una seconda onda elastica è apparsa prima che l'onda anelastica finale modificasse le proprietà del materiale.

I loro risultati sono stati pubblicati in Progressi scientifici la settimana scorsa.

"Abbiamo scoperto che questa trasformazione è più sfumata di quanto si pensasse in precedenza, "dice Shaughnessy Brennan Brown, un candidato post-dottorato presso la Stanford University e ricercatore associato presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia che ha guidato l'analisi. "Abbiamo illuminato una caratteristica completamente nuova potenzialmente osservabile in altri materiali".

Vedere attraverso una nuova lente

Oltre a contribuire a una più profonda comprensione del silicio, un materiale importante in campi come l'ingegneria, geofisica e fisica del plasma, questa nuova tecnica illumina la strada per risolvere problemi in altri campi.

"La piattaforma sviluppata da Shaughnessy è utile anche in aree come i meteoriti, ", afferma la co-autrice Arianna Gleason-Holbrook, uno scienziato del personale presso lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) presso SLAC. "Diciamo un grande impattore di metallo, come il nucleo residuo di qualche pianeta, colpisce un pianeta terrestre. Questa tecnica ci consentirà di ingrandire e di percorrere spazialmente la storia di quel tipo di shock per rispondere a una serie di domande importanti, come il modo in cui la vita viene consegnata a un nuovo pianeta o cosa succede durante le collisioni di asteroidi".

"È quasi come se avessi avuto una visione offuscata per un po', " lei disse, "ma poi ti metti gli occhiali e il mondo si apre. Quello che abbiamo fatto in questo articolo è fornire una nuova lente sulle proprietà dei materiali".

Prendendo l'onda

A SLAC, i ricercatori possono vedere cosa sta succedendo nel profondo della pancia dei campioni colpendoli con impulsi laser a raggi X ultraveloci dalla Linac Coherent Light Source (LCLS), e quindi utilizzando i modelli formati dai raggi X sparsi per ricostruire le immagini.

Allo strumento Matter in Extreme Condition (MEC), i ricercatori fanno esplodere i campioni con impulsi intensi da un secondo laser ad alta potenza prima di colpirli con raggi X per osservare come i materiali rispondono a calore e pressione estremi. In molti esperimenti, i ricercatori posizionano questi due laser quasi paralleli l'uno all'altro. Questo li aiuta a capire come il materiale sta cambiando nel tempo, ma non dà loro un'immagine chiara di come siano effettivamente queste trasformazioni strutturali.

Una caratteristica chiave della tecnica utilizzata in questo articolo è che i ricercatori hanno approfittato di un nuovo posizionamento laser che era stato utilizzato in articoli precedenti, sparando gli impulsi dal secondo laser perpendicolare agli impulsi a raggi X da LCLS. Questo diverso punto di osservazione ha permesso loro di osservare i cambiamenti strutturali sfuggenti del silicio mentre si verificavano, che è come hanno ripreso la seconda onda che si muove attraverso il silicio.

Ampia gamma di scale

Questa nuova configurazione sperimentale ha anche permesso ai ricercatori di ingrandire ciò che hanno visto, aumentando la risoluzione delle loro immagini e consentendo loro di ottenere un'immagine olistica di ciò che stava accadendo al silicio su un'ampia gamma di scale, dal microscopico al macroscopico.

Seguire, i ricercatori ripeteranno l'esperimento in condizioni molto più estreme e lo applicheranno a una classe di materiali molto più ampia per scoprire se vedono ancora questo passaggio in più, che porterà a una migliore comprensione di come i materiali si trasformano.

"Abbiamo cercato di comprendere i processi fondamentali di trasformazione dei materiali senza vedere sempre l'intero quadro, " Brennan Brown dice. "Molti scienziati usano tecniche intelligenti per affrontare il problema da diverse angolazioni. La bellezza di questa nuova piattaforma è la sua chiarezza, immediatezza e portata».