缺陷以超音速在金刚石中传播

缺陷可能会使材料变得更坚固或导致其灾难性失效。 了解它们的移动速度可以帮助研究人员了解地震破裂、结构破坏和微加工等问题。

在解决了长达半个世纪的争论后，研究人员发现微小的线性缺陷可以比声波更快地在物质中传播。

这些线缺陷或位错赋予了金属强度和可加工性，但它们也可能导致材料灾难性地失效——每次按下汽水罐上的拉片时都会发生这种情况。

它们能够以这样的速度行进，这一事实让科学家们对它们在极端条件下对各种材料造成的异常类型有了新的认识——从地震撕裂的岩石到因极端压力而变形的飞机防护材料。 Leora Dresselhaus-Marais 是美国能源部 SLAC 国家加速器实验室和斯坦福大学的教授，她与大阪大学的 Norimasa Ozaki 教授共同领导了这项研究。

穿过材料的冲击波会产生一种称为位错的缺陷，即它所传播的材料晶体中的微小位移，从而留下所谓的堆垛层错。 在左边，物质原子的规则排列未受干扰。 在右侧，位错在材料中从左向右移动，从而产生堆叠错误（紫色），其中晶体的相邻层没有完全按照应有的方式排列。 图片来源：Greg Stewart/SLAC 国家加速器实验室

“到目前为止，没有人能够直接测量这些疾病通过材料传播的速度，”她说。 她的团队使用 X 射线照相术——类似于医学他们在 10 月 5 日发表在期刊上的一篇研究论文中描述了这一发现 科学。

追逐音速

近 60 年来，科学家们一直在争论湍流是否能比声音更快地穿过材料。 许多研究得出的结论是，它们不能。 但一些计算机模型表明这是可能的，只要它的移动速度超过音速。

立即获得这种速度需要巨大的冲击。 一方面，声音在固体中传播的速度比在空气或水中传播的速度快得多，这取决于材料的性质及其温度等因素。 虽然声音在空气中的传播速度一般估计为 761 英里/小时，但在水中的传播速度可达 3,355 英里/小时，而在最坚硬的物质钻石中则达到惊人的 40,000 英里/小时。

更复杂的是，固体中有两种类型的声波。 纵波与空气中的纵波相似。 但由于固体对声音的传播有一定的阻力，因此它们也承载着移动较慢的波，称为横向声波。

从科学和实践的角度来看，了解超快湍流是否可以打破这些音障都很重要。 当扰动的移动速度快于声速时，它们的行为就会非常不同，并导致尚未建模的意外故障。 如果没有测量，没有人知道这些超快扰动会造成多大的损害。

该研究小组的博士后研究员、该研究的第一作者 Kento Katagiri 表示：“如果一种结构材料因其高故障率而比任何人预期的灾难性故障都严重，那可不是什么好事。” “例如，如果地震期间断层破裂，可能会对一切造成更大的损害。我们需要更多地了解这种类型的灾难性故障。”

Dresselhaus-Marais 补充说，这项研究的结果“可能表明，我们认为我们对材料最快可能失效的了解是错误的。”

流行顶部效果

为了获得第一张关于湍流传播速度的直接图像，Dresselhaus-Marais 和她的同事在日本使用 SACLA 自由电子 X 射线激光器进行了实验。 他们对人造金刚石的小晶体进行了实验。

为了获得湍流传播速度的第一张直接图像，研究人员使用强激光束驱动冲击波穿过金刚石晶体。 然后，他们使用 X 射线激光束拍摄了一系列位错在十亿分之一秒的时间尺度内形成和扩散的 X 射线图像。 这些图像类似于揭示身体内部的医学X射线，是在探测器上记录的。 资料来源：K. 片桐/斯坦福大学

Katagiri 说，金刚石提供了一个独特的平台来研究晶体材料如何失效。 一方面，变形机制比在金属中观察到的更简单，使得困难的超快 X 射线成像实验更容易解释。 他说：没有其他类型的缺陷。

当两种干扰相遇时，它们会吸引或排斥并产生更多的干扰。 打开一铝罐苏打水 合金，以及盖子中已经存在的许多扰动（在将其模制成最终形式时产生的）相互作用并产生数万亿的新扰动，当箱子顶部弯曲和顶部打开时，这些扰动会级联成绝对严重的故障。 这些相互作用及其行为方式决定了我们观察到的材料的所有机械性能。

“在金刚石中，只有 4 种类型的位错，而以铁为例，就有 144 种可能的位错类型，”Dresselhaus-Marais 说。

研究人员表示，钻石可能比金属坚硬得多。 但就像汽水罐一样，如果受到足够大的撞击，它仍然会因形成数十亿个位错而弯曲。

制作冲击波的 X 射线图像

在 SACLA，研究小组使用强激光在钻石晶体中产生冲击波。 然后，他们拍摄了一系列位错的超快 X 射线图像，这些位错在十亿分之一秒的时间尺度上形成和传播。 只有自由电子激光器才能发出足够短、足够亮的 X 射线脉冲来捕捉这一过程。

最初的冲击波分裂成两种波，继续穿过晶体。 第一个波称为弹性波，使晶体暂时变形； 它的原子立即弹回到原来的位置，就像一根橡皮筋被拉伸和释放一样。 第二波被称为塑性波，它通过在构成晶体结构的原子重复模式中产生微小的错误，使晶体永久变形。

该 X 射线图像与医学 X 射线类似，但使用 X 射线激光高速拍摄，显示冲击波穿过金刚石晶体。 主波是弹性波。 随后出现塑性波，在材料中产生称为湍流的缺陷，该缺陷以比声速更快的速度在材料中传播。 箭头显示了位错的路径和方向，位错留下了称为堆垛层错的线性缺陷。 同样的错位也出现在箭头的尖端。 可以看到其他堆垛层错从激光冲击的位置传播。 资料来源：K. 片桐/斯坦福大学

这些微小的位移或位错会产生“堆叠裂纹”，相邻的晶体层会相对移动，从而无法按应有的方式排列。 堆垛层错从激光撞击金刚石的地方向外传播，并且在每个堆垛层错的前端存在移动位错。

研究人员利用 X 射线发现，扰动在钻石中传播的速度比较慢的声波（横波）传播得更快，这是以前在任何材料中从未见过的现象。

现在，Katagiri 说，该团队计划返回自由电子 X 射线设施，例如 SACLA 或 SLAC 的直线加速器相干光源 (LCLS)，看看扰动是否可以比钻石中更高的纵向声速传播得更快。 ，这将需要更强大的激光冲击。 他说，如果它们突破音障，它们将被视为真正的超音速。

参考资料：“金刚石中跨音速位错的传播”，作者：Kento Katagiri、Tatiana Bekoz、Lichao Fang、Bruno Albertazzi、Shunsuke Igashira、Yuichi Inubushi、Genki Kamimura、Ryusuke Kodama、Michele Koenig、Bernard Kozioszemski、Goro Masaoka、Kohei Mianshi、Hirotaka Nakamura， Masato Ota、Gabriel Rigon、Yuichi Sakawa、Takayoshi Sano、Frank Schoofs、Zoe J. Smith、Keiichi Sueda、Tadashi Togashi、Tommaso Vinci、王一凡、Makina Yabashi、Toshinori Yabuchi、Liora E. Dresselhaus-Marais 和 Norimasa Ozaki，2023 年 10 月 5 日， 科学。
doi：10.1126/science.adh5563

Leora Dresselhaus-Marais 是 SLAC 斯坦福材料与科学研究所 (SIMES) 和斯坦福 PULSE 研究所的研究员。 大阪大学、日本同步辐射研究所、RIKEN研究人员 春天8 中心和 名古屋大学 在日本; 能源部劳伦斯利弗莫尔国家实验室； 英国卡勒姆科学中心； 法国理工学院也对这项研究做出了贡献。 主要资金来自美国空军科学研究办公室。