به تازگی – با حل یک بحث نیم قرن، محققان کشف کرده اند که نقص های خطی کوچک می توانند در یک ماده سریعتر از امواج صوتی منتشر شوند.
این عیوب خطی یا جابجایی ها همان چیزی است که به فلزات استحکام و ماشین کاری می بخشد، اما همچنین می تواند باعث خرابی فاجعه بار مواد شود – که هر بار که زبانه را روی قوطی نوشابه می کشید اتفاق می افتد.
لئورا گفت: این واقعیت که آنها می توانند به سرعت حرکت کنند، بینش جدیدی را در مورد انواع آسیب های غیرعادی که می توانند به طیف گسترده ای از مواد تحت شرایط شدید وارد کنند، از قطعه قطعه شدن سنگ در اثر زلزله گرفته تا مواد محافظ هواپیما که در اثر استرس شدید تغییر شکل داده اند، به دانشمندان می دهد. Dresselhaus-Marais، استاد آزمایشگاه ملی شتاب دهنده SLAC در بخش انرژی و دانشگاه استنفورد، که به همراه نوریماسا اوزاکی، استاد دانشگاه اوزاکا، این مطالعه را رهبری کردند.
او گفت: «تاکنون هیچ کس قادر به اندازه‌گیری مستقیم سرعت انتشار این نابجایی‌ها از طریق مواد نبوده است. تیم او از رادیوگرافی اشعه ایکس – شبیه به اشعه ایکس پزشکی که داخل بدن را نشان می دهد – برای اندازه گیری سرعت انتشار دررفتگی ها از طریق الماس استفاده کرد و درس هایی را ارائه داد که باید در مورد مواد دیگر اعمال شود. آنها نتایج را تشریح کرد امروز در علوم پایه.
دنبال سرعت صوت
دانشمندان در حدود 60 سال بحث کرده اند که آیا نابجایی ها می توانند از طریق مواد سریعتر از صدا حرکت کنند یا خیر. تعدادی از مطالعات به این نتیجه رسیده اند که نمی توانند. اما برخی از مدل‌های رایانه‌ای نشان دادند که بله، می‌توانستند – به شرطی که شروع به حرکت با سرعت مافوق صوت کنند.
رساندن آنها به آن سرعت به یک شوک عظیم نیاز دارد. برای یک چیز، صدا از طریق مواد جامد بسیار سریعتر از هوا یا آب، بسته به ماهیت و دمای مواد و سایر عوامل، حرکت می کند. در حالی که سرعت صوت در هوا معمولاً 761 مایل در ساعت است، این سرعت در آب 3355 مایل در ساعت و در الماس 40000 مایل در ساعت است که سخت‌ترین ماده است.
موضوع را پیچیده تر می کند، دو نوع امواج صوتی در جامدات وجود دارد. امواج طولی مانند امواج هوا هستند. اما از آنجایی که جامدات مقداری مقاومت در برابر عبور صوت دارند، امواج آهسته‌تر را نیز جذب می‌کنند که به عنوان امواج صوتی عرضی شناخته می‌شوند.
دانستن اینکه آیا نابجایی های فوق سریع می توانند هر یک از این موانع صوتی را بشکنند، هم از نظر علمی و هم از دیدگاه عملی مهم است. وقتی نابجایی‌ها سریعتر از سرعت صوت حرکت می‌کنند، کاملاً متفاوت رفتار می‌کنند و منجر به خرابی‌های غیرمنتظره‌ای می‌شوند که تاکنون فقط مدل‌سازی شده‌اند. بدون اندازه گیری، هیچ کس نمی داند که این دررفتگی های فوق سریع چقدر می تواند باعث آسیب شود.
کنتو کاتگیری، عضو فوق دکتری در گروه تحقیقاتی و نویسنده اول مقاله، می‌گوید: «اگر یک ماده سازه‌ای به‌دلیل میزان شکست بالایش، به‌طور فاجعه‌بارتر از حد انتظار شکست بخورد، این خیلی خوب نیست. به عنوان مثال، اگر گسلی باشد که سنگ را در حین زلزله پاره می کند، می تواند آسیب بیشتری به همه چیز وارد کند. ما باید درباره این نوع شکست فاجعه بار بیشتر بیاموزیم.»
Dreselhaus-Marais افزود، نتایج این مطالعه “ممکن است نشان دهد آنچه ما فکر می کردیم در مورد سریعترین شکست ممکن مواد می دانیم اشتباه است.”
افکت پاپ تاپ
برای دریافت اولین تصاویر مستقیم از سرعت حرکت نابجایی ها، Dresselhaus-Marais و همکارانش آزمایشاتی را در لیزر اشعه ایکس الکترون آزاد SACLA در ژاپن انجام دادند. آنها آزمایشاتی را روی کریستال های کوچک الماس مصنوعی انجام دادند.
کاتگیری گفت که الماس یک پلت فرم منحصر به فرد برای مطالعه چگونگی شکست مواد کریستالی ارائه می دهد. از یک طرف، مکانیسم تغییر شکل آن ساده‌تر از آنچه در فلزات مشاهده می‌شود، تفسیر این آزمایش‌های چالش‌برانگیز تصویربرداری پرتو ایکس را آسان‌تر می‌کند.
او گفت: «برای درک مکانیسم‌های آسیب، ما باید ویژگی‌هایی را در تصاویرمان شناسایی کنیم که به‌طور واضح دررفتگی هستند و انواع دیگر نقص‌ها نیستند.
هنگامی که دو دررفتگی به هم می رسند، یکدیگر را جذب یا دفع می کنند و دررفتگی های بیشتری ایجاد می کنند. یک قوطی نوشابه ساخته شده از آلیاژ آلومینیوم را باز کنید، و بسیاری از دررفتگی‌های موجود در درب – که در زمان شکل‌گیری شکل نهایی آن ایجاد شده‌اند- برهم کنش می‌کنند و تریلیون‌ها نابجایی جدید ایجاد می‌کنند که با خم شدن قسمت بالایی قاب به شکست بحرانی مطلق تبدیل می‌شوند. درب پاپ آپ باز می شود. این فعل و انفعالات و نحوه رفتار آنها بر تمام خواص مکانیکی موادی که مشاهده می کنیم حاکم است.
Dresselhaus-Marais گفت: “الماس تنها چهار نوع دررفتگی دارد، در حالی که آهن، برای مثال، دارای 144 نوع دررفتگی مختلف است.”
به گفته محققان، الماس ممکن است بسیار سخت تر از فلز باشد. اما مانند قوطی نوشابه، اگر به اندازه کافی ضربه بخورد، همچنان خم می شود و میلیاردها دررفتگی ایجاد می کند.
تهیه تصاویر اشعه ایکس از امواج ضربه ای
در SACLA، تیم از نور لیزر شدید برای تولید امواج ضربه ای در کریستال های الماس استفاده کردند. سپس آنها اساساً مجموعه ای از تصاویر فوق سریع اشعه ایکس از نابجایی هایی که در یک میلیاردم بار دوم شکل گرفته و منتشر می شوند، گرفتند. فقط لیزرهای اشعه ایکس با الکترون آزاد می توانند پالس های اشعه ایکس را به اندازه کافی کوتاه و روشن ارائه کنند تا این فرآیند را ثبت کنند.
موج ضربه اولیه به دو نوع موج تقسیم شد که به حرکت در کریستال ادامه دادند. موج اول که موج الاستیک نامیده می شود، به طور موقت کریستال را تغییر شکل می دهد. اتم های آن فوراً مانند نوار لاستیکی که کشیده شده و رها شده بود، به موقعیت اولیه خود باز می گردند. موج دوم که به عنوان موج پلاستیکی شناخته می شود، با ایجاد خطاهای کوچک در الگوهای تکرار شونده اتم ها که ساختار بلوری را تشکیل می دهند، کریستال را برای همیشه تغییر شکل می دهد.
این جابجایی‌های کوچک، یا جابه‌جایی‌های کوچک، «گسل‌های پشته‌ای» را ایجاد می‌کنند، جایی که لایه‌های مجاور کریستال نسبت به یکدیگر جابجا می‌شوند به طوری که آن‌طور که باید در یک راستا قرار نگیرند. عیوب انباشتگی از جایی که لیزر به الماس برخورد می کند به سمت بیرون منتشر می شود و در نوک اصلی هر نقص انباشته یک جابجایی متحرک وجود دارد.
با استفاده از اشعه ایکس، محققان دریافتند که نابجایی ها در الماس سریعتر از سرعت امواج صوتی آهسته تر منتشر می شود – پدیده ای که قبلاً در هیچ ماده ای دیده نشده بود.
کاتگیری گفت، اکنون این تیم قصد دارد به یک مرکز اشعه ایکس با الکترون آزاد، مانند SACLA یا منبع نور منسجم Linac SLAC، LCLS بازگردد تا ببیند آیا نابجایی ها می توانند سریعتر از سرعت بالاتر و طولی صوت در الماس حرکت کنند یا خیر. که حتی به عکس های لیزری قوی تری نیاز دارد. او گفت که اگر و زمانی که آنها این دیوار صوتی را بشکنند، واقعا مافوق صوت در نظر گرفته خواهند شد.
Leora Dresselhaus-Marais محققی در موسسه مواد و علوم استنفورد (SIMES) در SLAC و موسسه Stanford PULSE است. محققان دانشگاه اوزاکا، مؤسسه تحقیقاتی تشعشعات سنکروترون ژاپن، مرکز RIKEN SPring-8 و دانشگاه ناگویا در ژاپن؛ آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور DOE. مرکز علمی کولهام در بریتانیای کبیر؛ و École Polytechnique در فرانسه نیز به این تحقیق کمک کردند. بودجه عمده از دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی ایالات متحده تامین شد.
SLAC یک آزمایشگاه چند برنامه ای پر جنب و جوش است که به بررسی نحوه عملکرد جهان در بزرگترین، کوچک ترین و سریع ترین مقیاس می پردازد و ابزارهای قدرتمندی را اختراع می کند که توسط دانشمندان در سراسر جهان استفاده می شود. با تحقیقاتی که در زمینه فیزیک ذرات، اخترفیزیک و کیهان‌شناسی، مواد، شیمی، علوم زیستی و انرژی، و محاسبات علمی انجام می‌شود، ما به حل مشکلات دنیای واقعی و پیشبرد منافع کشور کمک می‌کنیم.
SLAC توسط دانشگاه استنفورد اداره می شود دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده. دفتر علوم بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند.
