據悉，更強的材料可能會隨著塑料流動的新圖像而綻放。

想象一下，把一個網球扔到臥室的床墊上。網球會使床墊略微彎曲，但不是永久彎曲——把球撿起來，床墊就會恢復到原來的位置和強度。科學家稱之為彈性狀態。

如果扔下另一些重的東西，比如冰箱，這個力會把床墊推到科學家所說的塑料狀態。當把冰箱拿開的時候，床墊會被壓縮。從這個意義上說，塑料狀態并不像你冰箱里的塑料牛奶罐，而是一種物質的原子結構的永久重新排列。

激光泵浦?電子探針實驗和Al單晶在環境(未壓縮)條件下的衍射圖的結構。

但一種材料的彈塑性轉變關注的不僅僅是床墊的舒適度。了解在原子水平上，當一種材料在高壓下從彈性轉變為塑性時會發生什么，可以讓科學家為航天器和核聚變實驗設計更強的材料。

到目前為止，科學家們一直在努力捕捉一種材料轉變成可塑性的清晰圖像，這讓他們對微小原子決定離開舒適的彈性狀態，進入塑料世界時，它們到底在做什么一無所知。

現在，來自美國能源部SLAC國家加速器實驗室的科學家們首次捕捉到了一個微小的鋁單晶樣品從彈性狀態轉變為塑性狀態時的高分辨率圖像。這些圖像將使科學家們能夠在現象發生的5萬億分之一秒內預測材料在經歷塑料轉變時的行為。該團隊今天在《自然通訊》上發表了他們的研究結果。

(110)單晶Al在4.3±0.4 J cm?2激光驅動壓縮下的衍射圖樣演化。

水晶的最后一口氣

為了捕捉鋁晶體樣品的圖像，科學家們需要施加一個力。因此，他們使用了高能激光，以足夠的力度敲打晶體，使其從彈性變為塑料。

當激光產生的沖擊波壓縮晶體時，科學家們用SLAC的高速“電子攝像機”(MeV-UED)設備發送一束高能電子束穿過晶體。電子束從晶體中的鋁原子核和電子中散射出來，使科學家能夠精確地測量它的原子結構。當激光繼續壓縮樣品時，科學家們對其進行了多次快照，這一連串的圖像形成了一種翻書式的視頻——一種定格動畫電影，記錄了晶體的可塑性。

更具體地說，這些高分辨率的快照向科學家們展示了樣品中線條缺陷出現的時間和方式——這是材料受到無法恢復的巨大力量撞擊的第一個跡象。

UED實驗(填充圓)和MD模擬(線)得到的(110)單晶Al在激光驅動壓縮下的應變演化。

當高能激光擊中鋁晶體樣品時，晶體中的一些原子排移位了。利用MeV-UED的電子攝像機跟蹤這些變化——線路缺陷——顯示了晶體從彈性到塑性的過程。

SLAC的科學家Mianzhen Mo說，科學家們現在有這些線狀缺陷的高分辨率圖像，揭示了這些缺陷生長的速度以及它們出現后的移動方式。

“了解塑性變形的動力學將允許科學家在材料的晶格結構中添加人工缺陷。”Mo說，“這些人工缺陷可以提供一個保護屏障，防止材料在極端環境下的高壓變形。”

UED閃耀的時刻

實驗人員快速、清晰的圖像的關鍵是MeV-UED的高能電子，這使得研究小組每半秒就能采集圖像樣本。

“大多數人在UED實驗中使用的是相對較小的電子能量，但我們在我們的實驗中使用的是能量高100倍的電子.”SLAC的著名科學家Wang說,“在高能的情況下，你在更短的脈沖中得到更多的粒子，這就提供了高質量的三維圖像和更完整的過程圖像。”

研究人員希望將他們對塑性的新理解應用到各種科學應用中，比如用于高溫核聚變實驗的增強材料。高能量密度科學主任Siegfried Glenzer說，我們迫切需要更好地了解材料在極端環境中的反應，以預測它們在未來聚變反應堆中的表現。Glenzer說:“這項研究的成功將有望推動更高的激光功率，以測試更多種類的重要材料。”

該團隊對將在ITER托卡馬克進行的實驗材料測試感興趣，該設施希望成為第一個產生持續聚變能源的設施。

激光驅動壓縮下(110)單晶Al在4.3±0.4 J cm?2的位錯動力學。

MeV-UED是線性相干光源(LCLS)用戶設備的一種儀器，由SLAC代表美國能源部科學辦公室操作。部分研究是在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的納米技術集成中心進行的，該中心是美國能源部科學辦公室的一個用戶設施。美國能源部科學辦公室提供了支持，部分是通過SLAC的實驗室指導研究和發展計劃。

來源：Ultrafast visualization of incipient plasticity in dynamicallycompressed matter ，Nature Communications，10.1038/s41467-022-28684-z