Comprendere come i materiali si deformano e si rompono catastroficamente quando vengono colpiti da un potente shock è fondamentale in un'ampia gamma di campi, compresa l'astrofisica, scienza dei materiali e ingegneria aerospaziale. Ma fino a poco tempo fa il ruolo dei vuoti, o piccoli pori, in un processo così rapido non poteva essere determinato, che richiedono misurazioni da prendere a milionesimi di miliardesimo di secondo.

Ora un team di ricerca internazionale ha utilizzato raggi X ultraluminosi per fare le prime osservazioni su come questi vuoti si evolvono e contribuiscono a danneggiare il rame in seguito all'impatto di uno shock estremo. Il gruppo, compresi scienziati dell'Università di Miami, il Laboratorio Nazionale dell'Acceleratore SLAC del Dipartimento dell'Energia e il Laboratorio Nazionale delle Argonne, L'Imperial College London e le università di Oxford e York hanno pubblicato i loro risultati in Progressi scientifici .

"Se questi materiali si trovano in un satellite colpito da un micrometeorite, un veicolo spaziale che entra nell'atmosfera a velocità ipersonica o un motore a reazione che esplode, devono assorbire completamente tutta quell'energia senza fallire catastroficamente, ", afferma l'autore principale James Coakley, un assistente professore di ingegneria meccanica e aerospaziale presso l'Università di Miami. "Stiamo cercando di capire cosa succede in un materiale durante questo tipo di guasto estremamente rapido. Questo esperimento è il primo tentativo di farlo, osservando come il materiale si comprime e si espande durante la deformazione prima che alla fine si rompa".

formaggio svizzero

Nell'esperimento, i ricercatori hanno scioccato un campione di rame con impulsi laser, quindi i raggi X diffusi dal laser a elettroni liberi a raggi X Linac Coherent Light Source (LCLS) di SLAC attraverso il materiale per tracciarne la deformazione. Dai modelli i raggi X diffusi realizzati in due rivelatori, sono stati in grado di vedere come l'urto ha compresso e quindi espanso il reticolo atomico del materiale in un rivelatore mentre osservavano contemporaneamente l'evoluzione del vuoto nel secondo rivelatore.

La compressione iniziale ha chiuso vuoti preesistenti nel materiale, dice Coakley. Man mano che il materiale si espandeva di nuovo, "Ottenete sempre più di questi piccoli vuoti che si nucleano e crescono man mano che il danno si diffonde attraverso il materiale, come una fetta di formaggio svizzero. Ad un certo punto, iniziano a unirsi fino a quando alla fine ti rimangono pori dilatati che causano il fallimento finale."

I ricercatori hanno anche scoperto che la forza del materiale, o capacità di resistere ai danni, dipendeva dalla velocità con cui lo stress esterno veniva applicato e rilasciato.

"La luminosità dei raggi X e le scale temporali che siamo stati in grado di osservare sono state cruciali per il successo di questo esperimento, " afferma il direttore della pianificazione strategica SLAC Despina Milathianaki, che ha ideato e supervisionato l'esperimento LCLS. "Questa combinazione di fattori ci ha permesso di tracciare esattamente cosa è successo all'interno del campione mentre si rompeva su scale temporali e di lunghezza che in precedenza potevano essere solo simulate, offrendo informazioni sui difetti sottostanti che hanno causato il fallimento del materiale."

Sopravvivere allo shock

Questo esperimento si è concentrato sulla dimostrazione di come la tecnica può essere utilizzata per comprendere la deformazione ultraveloce del materiale. I ricercatori hanno in programma di condurre esperimenti futuri su materiali più avanzati e in condizioni sperimentali che si avvicinano maggiormente alle applicazioni del mondo reale.

"È stato emozionante poter visualizzare e comprendere l'intero ciclo di vita di un materiale, " Dice Milathianaki. "È una grande dimostrazione di ciò che si può fare alla LCLS per comprendere il fallimento materiale in modo più ampio. L'obiettivo finale è comprendere appieno come i materiali falliscono in modo da poter progettare nuovi materiali in grado di resistere meglio a queste condizioni intense".