Nature子刊：激光助力动态压缩物质中初始塑性的超快显示

据悉，更强的材料可能会随着塑料流动的新图像而绽放。

想象一下，把一个网球扔到卧室的床垫上。网球会使床垫略微弯曲，但不是永久弯曲——把球捡起来，床垫就会恢复到原来的位置和强度。科学家称之为弹性状态。

如果扔下另一些重的东西，比如冰箱，这个力会把床垫推到科学家所说的塑料状态。当把冰箱拿开的时候，床垫会被压缩。从这个意义上说，塑料状态并不像你冰箱里的塑料牛奶罐，而是一种物质的原子结构的永久重新排列。

激光泵浦−电子探针实验和Al单晶在环境(未压缩)条件下的衍射图的结构。

但一种材料的弹塑性转变关注的不仅仅是床垫的舒适度。了解在原子水平上，当一种材料在高压下从弹性转变为塑性时会发生什么，可以让科学家为航天器和核聚变实验设计更强的材料。

到目前为止，科学家们一直在努力捕捉一种材料转变成可塑性的清晰图像，这让他们对微小原子决定离开舒适的弹性状态，进入塑料世界时，它们到底在做什么一无所知。

现在，来自美国能源部SLAC国家加速器实验室的科学家们首次捕捉到了一个微小的铝单晶样品从弹性状态转变为塑性状态时的高分辨率图像。这些图像将使科学家们能够在现象发生的5万亿分之一秒内预测材料在经历塑料转变时的行为。该团队今天在《自然通讯》上发表了他们的研究结果。

(110)单晶Al在4.3±0.4 J cm−2激光驱动压缩下的衍射图样演化。

水晶的最后一口气

为了捕捉铝晶体样品的图像，科学家们需要施加一个力。因此，他们使用了高能激光，以足够的力度敲打晶体，使其从弹性变为塑料。

当激光产生的冲击波压缩晶体时，科学家们用SLAC的高速“电子摄像机”(MeV-UED)设备发送一束高能电子束穿过晶体。电子束从晶体中的铝原子核和电子中散射出来，使科学家能够精确地测量它的原子结构。当激光继续压缩样品时，科学家们对其进行了多次快照，这一连串的图像形成了一种翻书式的视频——一种定格动画电影，记录了晶体的可塑性。

更具体地说，这些高分辨率的快照向科学家们展示了样品中线条缺陷出现的时间和方式——这是材料受到无法恢复的巨大力量撞击的第一个迹象。

UED实验(填充圆)和MD模拟(线)得到的(110)单晶Al在激光驱动压缩下的应变演化。

当高能激光击中铝晶体样品时，晶体中的一些原子排移位了。利用MeV-UED的电子摄像机跟踪这些变化——线路缺陷——显示了晶体从弹性到塑性的过程。

SLAC的科学家Mianzhen Mo说，科学家们现在有这些线状缺陷的高分辨率图像，揭示了这些缺陷生长的速度以及它们出现后的移动方式。

“了解塑性变形的动力学将允许科学家在材料的晶格结构中添加人工缺陷。”Mo说，“这些人工缺陷可以提供一个保护屏障，防止材料在极端环境下的高压变形。”

UED闪耀的时刻

实验人员快速、清晰的图像的关键是MeV-UED的高能电子，这使得研究小组每半秒就能采集图像样本。

“大多数人在UED实验中使用的是相对较小的电子能量，但我们在我们的实验中使用的是能量高100倍的电子.”SLAC的著名科学家Wang说,“在高能的情况下，你在更短的脉冲中得到更多的粒子，这就提供了高质量的三维图像和更完整的过程图像。”

研究人员希望将他们对塑性的新理解应用到各种科学应用中，比如用于高温核聚变实验的增强材料。高能量密度科学主任Siegfried Glenzer说，我们迫切需要更好地了解材料在极端环境中的反应，以预测它们在未来聚变反应堆中的表现。Glenzer说:“这项研究的成功将有望推动更高的激光功率，以测试更多种类的重要材料。”

该团队对将在ITER托卡马克进行的实验材料测试感兴趣，该设施希望成为第一个产生持续聚变能源的设施。