Uno schema del setup sperimentale per gli studi di diffrazione di raggi X risolti nel tempo sui film sottili di oro policristallino. Il campione è montato perpendicolarmente alla trave XFEL. Una "pompa" laser eccita il campione, e quindi una "sonda" a impulsi a raggi X monitora i cambiamenti indotti dal laser a diversi ritardi di tempo. L'inserto mostra i modelli di diffrazione dei raggi X generati per la pellicola da 300 nanometri 50 picosecondi prima e 100, 220, e 390 picosecondi dopo l'eccitazione del laser. Credito:Brookhaven National Laboratory
Se riscaldi abbastanza un materiale solido, l'energia termica (calore latente) fa sì che le molecole del materiale inizino a rompersi, formando un liquido. Uno degli esempi più familiari di questa transizione di fase da uno stato solido ben ordinato a uno stato liquido meno ordinato è il ghiaccio che si trasforma in acqua.
Sebbene la fusione sia un processo fondamentale della materia, gli scienziati non sono stati completamente in grado di capire come funziona a livello microscopico, a causa della mancanza di capacità di ricerca con sufficiente risoluzione temporale. Però, l'avvento dei laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL) nell'ultimo decennio sta portando allo studio del meccanismo di fusione, così come altre dinamiche ultraveloci su scala atomica, possibile. Questi strumenti utilizzano elettroni liberi (non legati) per generare impulsi di luce al femtosecondo (un quadrilionesimo di secondo) nella regione dell'energia dei raggi X. Rispetto ai sincrotroni a raggi X, Gli XFEL hanno impulsi a raggi X di durata molto più breve e di maggiore intensità.
Ora, un team di scienziati internazionali ha utilizzato uno di questi strumenti, il Pohang Accelerator Laboratory XFEL (PAL-XFEL) in Corea del Sud, per monitorare la fusione di pellicole d'oro dello spessore di un nanometro composte da tanti piccolissimi cristalli orientati in varie direzioni. Hanno usato un impulso a raggi X ultracorto ("sonda") per monitorare i cambiamenti strutturali in seguito all'eccitazione di questi film sottili di oro policristallino da parte di un laser a femtosecondi ("pompa"), che induce la fusione. Quando l'impulso dei raggi X colpisce l'oro, il fascio di raggi X viene diffratto secondo uno schema caratteristico della struttura cristallina del materiale. Raccogliendo immagini di diffrazione dei raggi X a diversi ritardi di tempo della pompa-sonda su scale di picosecondi (un trilionesimo di secondo), sono stati in grado di scattare "istantanee" mentre la fusione iniziava e progrediva nelle sottili pellicole d'oro. I cambiamenti nei modelli di diffrazione nel tempo hanno rivelato la dinamica del disordine dei cristalli. Gli scienziati hanno selezionato l'oro per questo studio perché diffrange i raggi X in modo molto forte e ha una transizione da solido a liquido ben definita.
I modelli di diffrazione dei raggi X hanno rivelato che la fusione è disomogenea (non uniforme). In un articolo pubblicato online nel numero del 17 gennaio di Progressi scientifici , gli scienziati hanno proposto che questa fusione abbia probabilmente origine nelle interfacce in cui si incontrano cristalli di diverso orientamento (imperfezioni chiamate bordi dei grani) e quindi si propaghi nelle piccole regioni cristalline (grani). In altre parole, i bordi dei grani iniziano a fondersi prima del resto del cristallo.
"Gli scienziati credevano che la fusione nei materiali policristallini si verificasse preferenzialmente alle superfici e alle interfacce, ma prima di XFEL la progressione della fusione in funzione del tempo era sconosciuta, ", ha affermato l'autore corrispondente Ian Robinson, leader del X-ray Scattering Group nella Divisione di fisica e scienza dei materiali condensata (CMPMS) presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE). "Si sapeva che il laser genera elettroni "caldi" (energetici), che provocano la fusione quando trasferiscono la loro energia al cristallo. L'idea che questo processo di trasferimento di energia avvenga preferenzialmente ai bordi dei grani e quindi non sia uniforme non è mai stata proposta fino ad ora".
I fisici del Brookhaven Lab (da sinistra a destra) Ian Robinson, Tadesse Assefa, Ming Lu, Emil Bozin, e Simon Billinge presso il Center for Functional Nanomaterials cleanroom, dove hanno fabbricato film d'oro policristallino di 50-, 100-, e 300 nanometri di spessore. Il team ha utilizzato la diffrazione dei raggi X risolta nel tempo per comprendere il meccanismo di fusione nei film eccitati da un laser che emette impulsi ottici di durata estremamente breve. La loro analisi delle immagini di diffrazione dei raggi X ha rivelato che la fusione (indotta dal laser) inizia in un punto e poi si sposta in un'altra posizione. Credito:Brookhaven National Laboratory
"Il meccanismo di fusione indotta dal laser è importante da considerare per la microlavorazione di parti di precisione utilizzate nel settore aerospaziale, settore automobilistico, e altri settori, " ha aggiunto il primo autore Tadesse Assefa, un postdoc nel gruppo di Robinson. "Il modo in cui il laser si accoppia al materiale è diverso a seconda della durata dell'impulso del laser. Ad esempio, gli impulsi ultracorti dei laser a femtosecondi sembrano essere migliori degli impulsi più lunghi dei laser a nanosecondi per eseguire tagli puliti come la perforazione di fori."
Per il loro esperimento, gli scienziati hanno prima fabbricato film sottili di vario spessore (50, 100, e 300 nanometri) presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE a Brookhaven. Qui, nello stabilimento di nanofabbricazione CFN, hanno eseguito l'evaporazione a fascio di elettroni, una tecnica di deposizione che utilizza gli elettroni per condensare il materiale desiderato su un substrato. L'ambiente ultrapulito di questa struttura ha permesso loro di creare film d'oro di spessore uniforme su un'ampia area del campione.
A PAL-XFEL, hanno condotto la diffrazione dei raggi X risolta nel tempo su questi film su una gamma di livelli di potenza laser. Il software sviluppato dal personale della Computational Science Initiative di Brookhaven Lab ha gestito l'analisi ad alto rendimento dei terabyte di dati generati mentre un rilevatore raccoglieva le immagini del modello di diffrazione. Il team ha quindi utilizzato il software sviluppato dagli scienziati della Columbia Engineering per convertire queste immagini in grafici lineari.
I grafici hanno rivelato un doppio picco corrispondente a una regione "calda" in fase di fusione (picco intermedio) e una regione relativamente "fredda" (il resto del cristallo) che deve ancora ricevere il calore latente di fusione. Attraverso l'accoppiamento di elettroni, il calore va ai bordi del grano e poi conduce nei grani. Questo assorbimento di calore latente si traduce in una banda di materiale di fusione racchiusa tra due fronti di fusione in movimento. Col tempo, questa banda diventa più grande.
Un'illustrazione delle posizioni dei bordi dei grani (punti in cui le linee si intersecano) in un film sottile di oro policristallino. La vista ingrandita mostra come un fronte di fusione creato in corrispondenza di questi confini si propaga nei grani dopo che il film è stato eccitato con un laser ottico. Credito:Brookhaven National Laboratory
"Un fronte di fusione è tra una regione solida e una regione di fusione, e l'altra tra una regione fondente e una liquida, " ha spiegato Robinson.
Prossimo, il team prevede di confermare il loro modello a due fronti riducendo la dimensione dei grani (aumentando così il numero di bordi dei grani) in modo che possano raggiungere la fine del processo di fusione. Poiché la fusione avviene come un'onda che attraversa i grani di cristallo a una velocità relativamente lenta (30 metri al secondo), ci vuole più tempo dell'intervallo di temporizzazione dello strumento (500 picosecondi) per attraversare grossi grani.
Vorrebbero anche guardare altri metalli, leghe (miscele di più metalli o un metallo combinato con altri elementi), e materiali cataliticamente rilevanti, in cui i bordi di grano sono coinvolti nelle reazioni chimiche.
"Questo studio rappresenta l'inizio di come costruiamo una comprensione del meccanismo di fusione, " ha detto Assefa. "Eseguendo questi esperimenti utilizzando materiali diversi, saremo in grado di determinare se il nostro modello è generalizzabile".
