Compreender como os materiais se deformam e falham catastroficamente quando impactados por um poderoso choque é crucial em uma ampla gama de campos, incluindo astrofísica, ciência dos materiais e engenharia aeroespacial. Mas até recentemente, o papel dos vazios, ou poros minúsculos, em um processo tão rápido não pôde ser determinado, requerendo medições a milionésimos de um bilionésimo de segundo.

Agora, uma equipe de pesquisa internacional usou raios-X ultrabright para fazer as primeiras observações de como esses vazios evoluem e contribuem para danos no cobre após o impacto de um choque extremo. O time, incluindo cientistas da Universidade de Miami, o Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia e o Laboratório Nacional de Argonne, Imperial College London e as universidades de Oxford e York publicaram seus resultados em Avanços da Ciência .

"Quer esses materiais estejam em um satélite atingido por um micrometeorito, uma espaçonave entrando na atmosfera em velocidade hipersônica ou um motor a jato explodindo, eles têm que absorver totalmente toda essa energia sem falhar catastroficamente, "diz o autor principal James Coakley, professor assistente de engenharia mecânica e aeroespacial na Universidade de Miami. "Estamos tentando entender o que acontece em um material durante esse tipo de falha extremamente rápida. Esta experiência é a primeira tentativa de fazer isso, observando como o material se comprime e se expande durante a deformação antes de eventualmente se quebrar. "

queijo suíço

No experimento, os pesquisadores chocaram uma amostra de cobre com pulsos de laser, em seguida, raios-X dispersos do Linac Coherent Light Source (LCLS) do SLAC laser de elétrons livres de raios-X através do material para rastrear sua deformação. A partir dos padrões de raios-X espalhados feitos em dois detectores, eles foram capazes de ver como o choque comprimiu e, em seguida, expandiu a estrutura atômica do material em um detector, enquanto observavam simultaneamente a evolução do vazio no segundo detector.

A compressão inicial fechou vazios preexistentes no material, Coakley diz. À medida que o material se expandia novamente, "Você tem mais e mais desses pequenos vazios se nucleando e crescendo conforme o dano se espalha pelo material, como uma fatia de queijo suíço. Em um determinado ponto, eles começam a se juntar até que eventualmente você fique com grandes poros que causam o fracasso final. "

Os pesquisadores também descobriram que a resistência do material, ou capacidade de resistir a danos, dependia de quão rápido o estresse externo era aplicado e liberado.

"O brilho dos raios-X e as escalas de tempo que pudemos observar foram cruciais para o sucesso deste experimento, "diz a Diretora de Planejamento Estratégico do SLAC, Despina Milathianaki, que concebeu e supervisionou o experimento LCLS. "Essa combinação de fatores nos permitiu rastrear exatamente o que aconteceu dentro da amostra quando ela se separou em escalas de tempo e comprimento que anteriormente só podiam ser simuladas, oferecendo uma visão dos defeitos subjacentes que causaram a falha do material. "

Sobrevivendo ao choque

Este experimento teve como objetivo demonstrar como a técnica pode ser usada para entender a deformação de material ultrarrápido. Os pesquisadores planejam fazer experimentos futuros em materiais mais avançados e sob condições experimentais que se assemelham mais às aplicações do mundo real.

"Foi emocionante ser capaz de visualizar e compreender todo o ciclo de vida de um material, "Milathianaki diz." É uma grande demonstração do que pode ser feito no LCLS para entender a falha de material de forma mais ampla. O objetivo final é entender completamente como os materiais falham, para que você possa projetar novos materiais que possam suportar melhor essas condições intensas. "