Uno scienziato e collaboratori del Lawrence Livermore National Laboratory hanno dimostrato il primo "microscopio dei difetti" in grado di monitorare come le popolazioni di difetti in profondità all'interno dei materiali macroscopici si muovono collettivamente.

La ricerca, che appare oggi in Progressi scientifici , mostra un classico esempio di confine di dislocazione (difetto di linea), dimostra poi come questi stessi difetti si muovano in modo esotico proprio al limite delle temperature di fusione.

"Questo lavoro rappresenta un grande passo avanti per la scienza dei materiali, fisica e campi correlati, poiché offre un nuovo modo unico di visualizzare le "scale intermedie" che collegano i difetti microscopici alle proprietà di massa che causano, " disse Leora Dresselhaus-Marais, un ex collega di Lawrence e ora assistente professore di Scienza e ingegneria dei materiali presso la Stanford University.

Collegare i difetti microscopici di un materiale sfuso alle sue proprietà macroscopiche è un problema secolare nella scienza dei materiali. È noto che le interazioni a lungo raggio tra le dislocazioni svolgono un ruolo chiave nel modo in cui i materiali si deformano o si fondono, ma gli scienziati finora non avevano gli strumenti per collegare queste dinamiche alle proprietà macroscopiche.

I difetti sono alla base di molte delle meccaniche, proprietà termiche ed elettroniche dei materiali. Un esempio lampante è la dislocazione, che è un difetto lineare esteso nel reticolo atomico che consente ai materiali cristallini di cambiare permanentemente la loro forma sotto carico. La gamma di durezza e lavorabilità nei materiali duttili si verifica a causa di come le loro dislocazioni possono muoversi e interagire.

Nella nuova ricerca, il team ha utilizzato la microscopia a raggi X in campo scuro risolta nel tempo (DFXM) per visualizzare direttamente come le dislocazioni si muovono e interagiscono su centinaia di micrometri di profondità all'interno dell'alluminio sfuso. Con i filmati in tempo reale, hanno mostrato che il movimento attivato termicamente e le interazioni delle dislocazioni che comprendono un confine e mostrano come le forze di legame indebolite destabilizzano la struttura al 99% della temperatura di fusione.

Il team ha risolto il movimento individuale e collettivo delle dislocazioni in un confine di dislocazione (DB) sotto la superficie dell'alluminio a cristallo singolo. Le loro immagini mappano come il DB migra lungo un confine ad angolo molto basso mentre viene riscaldato dal 97 percento al 99 percento della temperatura di fusione (660 gradi Celsius). Hanno quindi ingrandito come le dislocazioni entrano ed escono dal confine, facendo sì che due segmenti DB si uniscano e si stabilizzino in un'unica struttura coesiva. Poiché il DB successivamente migra e aumenta la sua spaziatura tra le dislocazioni, hanno osservato come il confine si è destabilizzato.

"Visualizzando e quantificando le dinamiche attivate termicamente che in precedenza erano limitate alla teoria, dimostriamo una nuova classe di misurazioni di massa che è ora accessibile con DFXM risolta nel tempo, offrendo opportunità chiave nella scienza dei materiali, "Disse Dresselhaus-Marais.

Il team comprende anche scienziati dell'Università tecnica della Danimarca, Sito della sicurezza nazionale del Nevada, CEA Grenoble, Universität für Bodenkultur Wien a Vienna e la European Synchrotron Radiation Facility. Il lavoro è stato finanziato dalla Lawrence Fellowship di LLNL e dal programma di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio.