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但是，材料的彈塑性轉(zhuǎn)變不僅僅關(guān)系到床墊的舒適度。了解當(dāng)一種材料在高壓下從彈性過渡到塑性時，在原子層面上發(fā)生了什么，可以讓科學(xué)家為航天器和核聚變實驗設(shè)計更強大的材料。

到目前為止，科學(xué)家們在過去未能捕捉到材料轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄缘那逦鷪D像，使他們對微觀原子在決定離開其舒適的彈性狀態(tài)并進入塑性世界時正在做什么一無所知。

美國能源部SLAC國家加速器實驗室的科學(xué)家們首次捕捉到了一個微小的鋁單晶樣品從彈性狀態(tài)過渡到塑性狀態(tài)時的高分辨率照片。這些圖像將使科學(xué)家們能夠在現(xiàn)象發(fā)生的五萬億分之一秒內(nèi)預(yù)測材料在經(jīng)歷塑性轉(zhuǎn)變時的表現(xiàn)。這些發(fā)現(xiàn)最近發(fā)表在《自然通訊》雜志上。

科學(xué)家們需要在鋁制晶體樣品上施加力量以拍攝圖像，而冰箱顯然太大。相反，他們利用一個高能激光器用力敲擊晶體，使其狀態(tài)從彈性變?yōu)樗苄浴?/p>

科學(xué)家們利用SLAC的快速 “電子相機”，或兆電子伏超快電子衍射(MeV-UED)儀器，在激光產(chǎn)生的沖擊波壓縮晶體時，將高能電子束穿過晶體。該電子束對晶體中的鋁核和電子的散射使科學(xué)家能夠精確地確定原子結(jié)構(gòu)。當(dāng)激光繼續(xù)壓縮樣品時，科學(xué)家們拍攝了幾張快照，形成了一種晶體在塑性過程中“跳舞的定格電影”。

更具體地說，高分辨率的快照向科學(xué)家們展示了樣品中何時以及如何出現(xiàn)線狀缺陷--這是一種材料被擊中的力量大到無法恢復(fù)的第一個跡象。

線狀缺陷就像網(wǎng)球拍上的斷線。例如，如果你用你的網(wǎng)球拍輕輕地打一個網(wǎng)球，你的網(wǎng)球拍的線會振動一下，但會回到它們原來的位置。然而，如果你用球拍打保齡球，球線就會變形離開原位，無法反彈。同樣地，當(dāng)高能激光擊中鋁晶體樣品時，晶體中的一些原子行會移位。使用MeV-UED的電子照相機跟蹤這些移動--線狀缺陷--顯示了晶體從彈性到塑性的過程。

科學(xué)家們現(xiàn)在有了這些線狀缺陷的高分辨率圖像，揭示了缺陷生長的速度以及它們一旦出現(xiàn)后是如何移動的，SLAC科學(xué)家Mianzhen Mo說。

Mianzhen說：“了解塑性變形的動態(tài)，將使科學(xué)家能夠在材料的晶格結(jié)構(gòu)中添加人工缺陷。這些人工缺陷可以提供一個保護屏障，使材料在極端環(huán)境中的高壓下不發(fā)生變形?！?/p>

實驗人員快速、清晰的圖像的關(guān)鍵是MeV-UED的高能電子，它使該團隊能夠每半秒拍攝一次樣品圖像?！按蠖鄶?shù)人在UED實驗中使用相對較小的電子能量，但我們在實驗中使用的是100倍的高能電子，”SLAC的杰出科學(xué)家Xijie Wang說?！霸诟吣芰肯?，你在更短的脈沖中獲得更多的粒子，這提供了質(zhì)量極佳的3D圖像和更完整的過程圖?！?/p>

研究人員希望將他們對塑性的新理解應(yīng)用于不同的科學(xué)應(yīng)用，例如加強用于高溫核聚變實驗的材料。高能密度科學(xué)主任Siegfried Glenzer說，迫切需要更好地了解材料在極端環(huán)境中的反應(yīng)，以預(yù)測它們在未來聚變反應(yīng)堆中的性能。

Glenzer說：“這項研究的成功將有望促使實施更高的激光功率來測試更多種類的重要材料?！?/p>

該團隊有興趣為將在ITER托卡馬克進行的實驗測試材料，該設(shè)施希望成為第一個產(chǎn)生持續(xù)聚變能量的設(shè)施。

MeV-UED是Linac相干光源（LCLS）用戶設(shè)施的一個儀器，由SLAC代表DOE科學(xué)辦公室運營。部分研究是在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的綜合納米技術(shù)中心進行的，該中心是美國能源部科學(xué)辦公室的用戶設(shè)施。能源部科學(xué)辦公室提供了支持，部分是通過SLAC的實驗室指導(dǎo)研究和發(fā)展計劃。

關(guān)鍵詞：科學(xué)家們高分辨率彈性狀態(tài)