Pela primeira vez, cientistas relataram experimentos de difração in-situ medindo a geminação de deformação no nível da rede durante a compressão de choque. Os resultados foram publicados recentemente em Natureza por uma equipe de pesquisadores do Lawrence Livermore National Laboratory e colaboradores da University of Oxford, Laboratório Nacional de Los Alamos, a University of York e o SLAC National Accelerator Laboratory.

A compressão de choque é uma área de estudo desafiadora, pois combina condições extremas, como altas pressões e temperaturas, com escalas de tempo ultrarrápidas. Para simplificar o problema, os cientistas costumam presumir que os materiais sólidos se comportam como um fluido, fluindo e mudando de forma (plasticidade) sem resistência. Ainda, como um sólido, a maioria dos materiais também retém uma estrutura de treliça. À medida que o material flui, mudando de forma, de alguma forma, a rede deve mudar também, enquanto ainda mantém o padrão regular da rede. O estudo da plasticidade em um nível mais fundamental, então, repousa na compreensão de como a rede está mudando enquanto um material está deformando.

Deslocamento-deslizamento (onde os deslocamentos da rede são gerados e se movem) e geminação (onde os subgrãos se formam com uma rede de imagem espelhada) são os mecanismos básicos da deformação plástica. Apesar de sua importância fundamental para a plasticidade, diagnosticar o mecanismo ativo in situ (durante o choque) tem sido difícil. Pesquisas anteriores estudaram o material após o fato (em "recuperação"), que introduz fatores complicadores adicionais e levou a resultados conflitantes.

"Experimentos de difração in-situ já existem há algumas décadas, mas ganharam destaque apenas recentemente, pois os lasers de alta potência e os lasers de elétrons livres de raios-X tornaram as medições mais amplamente disponíveis, mais sensível e capaz de alcançar condições mais extremas, "disse Chris Wehrenberg, Físico do LLNL e autor principal do artigo. "Nosso trabalho destaca uma área de estudo inexplorada, a distribuição do sinal dentro dos anéis de difração, que pode render informações importantes. "

Os experimentos da equipe foram conduzidos na nova estação final Matter in Extreme Conditions, localizado na fonte de luz coerente Linac da SLAC, que representa a vanguarda em um grande, investimento mundial em instalações que podem combinar difração in-situ com técnicas de alta pressão e alta taxa de deformação.

"Nestes experimentos, você lança uma onda de choque com um laser, onde um jato de plasma aquecido a laser cria uma pressão oposta em sua amostra, e sondar o estado de sua amostra com um feixe de raios-X, "Wehrenberg disse." Os raios X irão espalhar a amostra em ângulos específicos, formando anéis de difração, e o ângulo de espalhamento fornece informações sobre a estrutura do material. "

Apesar da crescente popularidade dos experimentos de difração in-situ, a maioria enfoca o ângulo de espalhamento e não aborda a distribuição do sinal dentro de um anel de difração. Embora esta abordagem possa revelar quando um material muda de fase, não revelará como um material está se comportando fora de uma transição de fase.

Ao analisar as mudanças na distribuição do sinal dentro das linhas, a equipe pode detectar mudanças na orientação da rede, ou textura, e mostrar se um material estava passando por geminação ou deslizamento. Além disso, a equipe não conseguiu apenas demonstrar se a amostra - tântalo, um metal de alta densidade - gêmeos ou deslizamentos quando o choque é comprimido, mas foram capazes de demonstrar isso para a maior parte de toda a gama de pressões de choque.

"O LLNL está profundamente engajado na modelagem de materiais como parte da missão de gestão de estoques com base científica e tem esforços programáticos para modelar o tântalo em nível molecular, bem como modelagem de plasticidade, "Wehrenberg disse." Esses resultados são diretamente aplicáveis ​​a ambos os esforços, fornecer dados aos quais os modelos podem ser comparados diretamente para benchmarking ou validação. No futuro, planejamos coordenar esses esforços experimentais com experimentos relacionados na National Ignition Facility do LLNL que estudam a plasticidade em pressões ainda mais altas. "

Embora as técnicas de análise de dados de difração de raios-X para mudanças na textura e microestrutura de um material tenham sido praticadas em experimentos quase estáticos, eles são novos no campo dos experimentos de choque. Essa combinação de técnicas é relevante para muitos outros campos. Por exemplo, características de deformação planar no quartzo causadas por geminação e microfratura são uma indicação comum de locais de impacto de meteoros, e essas características também podem afetar a magnetização de outros materiais geológicos. De forma similar, a geminação desempenha um papel crucial no comportamento de autoafiação dos penetradores balísticos e tem sido associada ao aumento da ductilidade em cerâmicas de alto desempenho para aplicações de blindagem. Compreender a plasticidade de alta taxa é fundamental para endurecer o hardware espacial dos impactos de poeira de hipervelocidade e ainda tem implicações para a formação de nuvens de poeira interestelar.