强激光脉冲从右上击中钻石晶体，驱动材料中的弹性和塑性波(曲线)。激光脉冲在击中晶体的地方产生线性缺陷，称为位错。它们在材料中的传播速度比声音的横向传播速度快，留下了堆积断层——从撞击点向外散开的线条。图片来源:Greg Stewart/SLAC国家加速器实验室
缺陷会造成材料损坏要么让它灾难性地失败。了解它们的传播速度可以帮助研究人员了解地震破裂、结构故障和精密制造等问题。
经过半个世纪的争论，研究人员发现，微小的线性缺陷可以比声波更快地在材料中传播。
这些线性缺陷或位错赋予了金属强度和可加工性，但它们也会使材料灾难性地失效——这就是每次你打开汽水罐上的拉环时发生的事情。
美国能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学教授Leora Dresselhaus-Marais与大阪大学的Ozaki Norimasa教授共同领导了这项研究，他说，粒子速度如此之快的事实让科学家们对它们在极端条件下可能对各种材料造成的不同寻常的破坏有了新的认识，从地震破裂撕裂的岩石到极端应力变形的飞机屏蔽材料。
在材料中传播的冲击波会产生被称为位错的缺陷——在材料晶体中传播的微小移动，留下所谓的堆积缺陷。左边，材料原子的规则排列没有受到干扰。在右边，位错从左到右穿过材料，形成了一个堆叠断层(紫色)，在这里晶体的相邻层没有按照应有的方式排列。图片来源:Greg Stewart/SLAC国家加速器实验室
“直到现在，还没有人能够直接测量这些位错在材料中传播的速度有多快，”她说。她的团队使用x射线照相技术——类似于医用x射线，可以显示人体内部——来记录钻石中错位传播的速度，这也可以应用于其他材料。他们在10月5日发表在《科学》杂志上的一篇论文中描述了这一结果。
追逐声速
近60年来，科学家们一直在争论位错是否能比声音更快地在材料中传播。许多研究得出的结论是，它们不能。但是一些计算机模型表明，它们是可以的——前提是它们一开始的移动速度要比声音的速度快。
让它们瞬间达到这个速度需要巨大的冲击。首先，声音在固体材料中的传播速度比在空气或水中的传播速度快得多，这取决于材料的性质和温度以及其他因素。虽然声音在空气中的传播速度通常是每小时761英里，但在水中的传播速度是每小时3355英里，在最硬的材料钻石中则是每小时4万英里。
更复杂的是，固体中有两种声波。纵波就像空气中的波。但由于固体对声音的传播产生了一定的阻力，它们也承载了移动较慢的波，即横向声波。
从基础科学和实践的角度来看，了解超快位错是否可以打破这些音障中的任何一个都很重要。当位错的移动速度超过声速时，它们的行为就会完全不同，并导致迄今为止只被模拟过的意外故障。没有测量，没有人知道这些超快的位错会造成多大的损害。
该研究小组的博士后学者、论文的第一作者Katagiri Kento说:“如果一种结构材料的失败率很高，比任何人预期的都要严重，那就不太好了。”“例如，如果是地震期间岩石破裂的断层，可能会对一切造成更大的破坏。我们需要更多地了解这种灾难性故障。”
Dresselhaus-Marais补充说，这项研究的结果“可能表明，我们对材料可能最快失效的认识是错误的。”
Pop-Top效果
为了获得位错传播速度的第一张直接图像，Dresselhaus-Marais和她的同事在日本的SACLA x射线自由电子激光器上进行了实验。他们在人造金刚石的微小晶体上做了实验。
为了获得位错传播速度的第一张直接图像，研究人员使用强烈的激光束驱动冲击波穿过钻石晶体。然后，他们使用x射线激光束在十亿分之一秒的时间尺度上制作了一系列位错形成和扩散的x射线图像。这些图像，类似于医学x光，显示身体内部，被记录在一个探测器上。资料来源:K. Katagiri/斯坦福大学
卡塔吉里说，钻石为研究晶体材料如何失效提供了一个独特的平台。首先，它的变形机制比在金属中观察到的更简单，使其更容易解释这些具有挑战性的超快x射线成像实验。“为了理解损伤机制，我们需要在图像中识别出明确的错位特征，而不是其他类型的缺陷，”他说。
当两个位错相遇时，它们会相互吸引或排斥，并产生更多的位错。打开一罐由铝合金制成的苏打水，盖子上已经存在的许多错位——在它最终成型时产生的——相互作用并产生数万亿的新错位，随着瓶盖弯曲和瓶盖打开，这些错位会形成绝对的临界故障。这些相互作用以及它们的行为决定了我们观察到的材料的所有机械性能。
“在钻石中，只有四种位错，而铁，例如，有144种不同的可能的位错类型，”Dresselhaus-Marais说。
研究人员说，钻石可能比金属坚硬得多。但就像易拉罐一样，如果受到足够大的冲击，它仍然会通过形成数十亿个错位而弯曲。
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，他们拍摄了一系列超快的x射线图像，记录了位错在十亿分之一秒的时间尺度上形成和扩散的过程。只有x射线自由电子激光器能够提供足够短和足够亮的x射线脉冲来捕捉这一过程。
最初的冲击波分裂成两种波，继续在晶体中传播。第一波，称为弹性波，暂时使晶体变形;它的原子立即弹回原来的位置，就像橡皮筋被拉伸和释放一样。第二波，被称为塑性波，通过在构成晶体结构的原子的重复模式中产生微小的误差，使晶体永久变形。
这张x射线图像——类似于医用x射线，但用x射线激光以超快的速度拍摄——显示冲击波穿过钻石晶体。初始波是弹性的。塑性波随之产生，在材料中产生被称为位错的缺陷，这种缺陷在材料中传播的速度比声速还快。箭头显示了一个位错的路径和方向，它在尾迹中留下了一个称为堆叠错误的线性缺陷。脱位本身在箭头顶端可见。其他的层错可以从激光冲击的位置看到扇形分布。资料来源:K. Katagiri/斯坦福大学
这些微小的移动或错位会产生“堆叠错误”，相邻的晶体层会相互移动，因此它们不会按应有的方式排列。层错从激光击中金刚石的地方向外传播，在每个层错的尖端有一个移动的位错。
通过x射线，研究人员发现，这种位错在钻石中的传播速度比较慢的声波(横波)的传播速度还要快，这种现象以前从未在任何材料中发现过。
现在，Katagiri说，研究小组计划回到x射线自由电子设备，如SACLA或SLAC的直线加速器相干光源，LCLS，看看位错是否能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，如果它们突破了这个音障，它们将被认为是真正的超音速。
参考:“钻石中的跨音位错传播”作者:Katagiri Kento, Pikuz Tatiana, Fang Lichao, Bruno Albertazzi, egashunsuke, Inubushi, Genki Kamimura, Ryosuke Kodama, Michel Koenig, Bernard Kozioziemski, Gooru Masaoka, koyanhei, Hirotaka Nakamura, Masato Ota, Gabriel Rigon, Sakawa, Takayoshi Sano, Frank schofs, Zoe J. Smith, Keiichi Sueda, Togashi, Tommaso Vinci, Yifan Wang, Makina Yabashi, yabuchi, Leora E. Dresselhaus-Marais和Ozaki Norimasa。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)和斯坦福脉冲研究所的研究员。来自大阪大学、日本同步辐射研究所、理化研究所SPring-8中心和日本名古屋大学的研究人员;美国能源部劳伦斯利弗莫尔国家实验室;英国Culham科学中心;法国的école Polytechnique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。
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评论列表（4条）
我是文学号的签约作者“子图”！
希望本篇文章《打破了60年的争论：缺陷在钻石中传播的速度比声速还快》能对你有所帮助！
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