(Phys.org) —I ricercatori guidati dallo SLAC hanno effettuato le prime misurazioni dirette di un piccolo ed estremamente rapido riarrangiamento atomico, associata a una classe chiamata trasformazioni martensitiche, che cambia drasticamente le proprietà di molti materiali importanti, come raddoppiare la durezza dell'acciaio e far tornare le leghe a memoria di forma a una forma precedente.

Utilizzando onde d'urto ad alta pressione e impulsi a raggi X ultracorti presso la Linac Coherent Light Source (LCLS), i ricercatori hanno osservato i dettagli di come questa trasformazione ha cambiato la struttura atomica interna di un sistema modello, nanocristalli perfetti di solfuro di cadmio. Nel processo, hanno visto per la prima volta che i nanocristalli passano attraverso uno stato intermedio teoricamente previsto quando subiscono questo cambiamento.

"Per progettare e ingegnerizzare nuovi materiali con le proprietà desiderate, vorremmo capire i percorsi microscopici dettagliati che seguono mentre si trasformano, ", ha detto il leader della squadra, Aaron Lindenberg, un assistente professore presso SLAC e Stanford. "La trasformazione martensitica è particolarmente importante poiché si verifica in così tanti materiali importanti. La nostra tecnica dovrebbe in definitiva aiutarci a vedere cosa sta succedendo anche in altre trasformazioni atomiche".

I risultati della ricerca del team sono stati pubblicati il ​​mese scorso in Nano lettere .

Prende il nome dal pioniere metallurgista tedesco Adolf Martens, la trasformazione martensitica comporta movimenti collettivi a corto raggio degli atomi in un solido cristallino in quanto risponde allo stress. È stato studiato per più di 100 anni dopo che Martens e colleghi hanno identificato che una forma cristallina alterata in acciaio ad alto tenore di carbonio raffreddato rapidamente era responsabile della sua maggiore durezza. Mentre i movimenti atomici effettivi nelle trasformazioni martensitiche sono tipicamente inferiori a un nanometro, possono avere enormi effetti sulle proprietà di un materiale. Oltre a temprare l'acciaio e facilitare le leghe a memoria di forma, la trasformazione martensitica è alla base di fenomeni così diversi come la deformazione geologica dovuta alla tettonica delle placche e il meccanismo con cui i virus invasori perforano le pareti delle cellule.

Colpiscono una lamina di metallo con un intenso impulso laser a infrarossi, facendolo esplodere e inviando uno shock ad alta pressione che si schianta attraverso i nanocristalli. La pressione dell'onda d'urto che passa ha avviato la trasformazione. Gli impulsi a raggi X LCLS sono stati cronometrati per colpire il campione in varie frazioni di secondo dopo lo shock, producendo immagini di diffrazione dei raggi X in stop-action che mostravano le posizioni precise degli atomi del nanocristallo durante le varie fasi della trasformazione, che ha richiesto solo 50 trilionesimi di secondo per essere completato. Gli scienziati hanno anche variato l'intensità del laser per creare shock di diverse pressioni di picco.

Il team ha scoperto che le trasformazioni causate dagli shock a pressione più elevata procedevano direttamente da esagonale a cubico, mentre quelli innescati dagli shock di bassa pressione formavano uno stato intermedio temporaneo. Le simulazioni calcolate da altri ricercatori avevano previsto l'intermedio, ha detto Lindenberg. Ma la sua assenza nel caso dell'alta pressione può essere un'indicazione che i forti shock agiscono come catalizzatori, abbassando la barriera energetica della trasformazione in modo che possa procedere direttamente.

"Questa serie di esperimenti mostra la potenza dell'utilizzo di LCLS, laser ad alta potenza e nanocristalli per esaminare i rapidi riarrangiamenti atomici che sono così importanti nella creazione delle proprietà dei materiali, "Ha detto Lindenberg. "Fino ad ora, ci sono stati solo calcoli teorici su come queste trasformazioni dovrebbero avvenire. Ora possiamo imparare in prima persona cosa succede veramente".