العيوب تنتشر عبر الماس بسرعة تفوق سرعة الصوت

رسم توضيحي لنبضة ليزر مكثفة تضرب بلورة ماسية من أعلى اليمين، مما يؤدي إلى ظهور موجات مرنة وبلاستيكية (خطوط منحنية) عبر المادة. تخلق نبضة الليزر عيوبًا خطية، تُعرف باسم الاضطرابات، عند النقاط التي تضرب فيها البلورة. وتنتشر عبر المادة بشكل أسرع من السرعة العرضية للصوت، تاركة خلفها قوى التراص – الخطوط التي تمتد من موقع الاصطدام. الائتمان: جريج ستيوارت / مختبر المسرع الوطني SLAC

يمكن للعيوب أن تجعل المادة أقوى أو تجعلها تفشل بشكل كارثي. إن معرفة مدى سرعة انتقالها يمكن أن يساعد الباحثين على فهم أشياء مثل التمزقات الزلزالية، والفشل الهيكلي، والتصنيع الدقيق.

بعد تسوية نصف قرن من الجدل، اكتشف الباحثون أن العيوب الخطية الصغيرة يمكن أن تنتشر عبر المادة بشكل أسرع من الموجات الصوتية.

هذه العيوب الخطية، أو الاضطرابات، هي التي تمنح المعادن قوتها وقابليتها للتشغيل، ولكنها يمكنها أيضًا أن تجعل المواد تفشل بشكل كارثي – وهو ما يحدث في كل مرة تضغط فيها على لسان السحب على علبة من الصودا.

إن حقيقة قدرتها على السفر بهذه السرعة تمنح العلماء تقديرًا جديدًا للأنواع غير العادية من الأضرار التي قد تلحقها بمجموعة واسعة من المواد في الظروف القاسية – بدءًا من الصخور التي تمزقها زلزال إلى مواد حماية الطائرات التي تشوهت بسبب الإجهاد الشديد. ليورا دريسلهاوس ماريه، أستاذة في مختبر المسرع الوطني SLAC التابع لوزارة الطاقة وجامعة ستانفورد والتي شاركت في قيادة الدراسة مع البروفيسور نوريماسا أوزاكي في جامعة أوساكا.

يمكن لموجة الصدمة التي تنتقل عبر مادة ما أن تخلق عيوبًا تُعرف باسم الاضطرابات – وهي عبارة عن تحولات صغيرة في بلورة المادة التي تنتشر عبرها، تاركة ما يعرف باسم أخطاء التراص خلفها. على اليسار، الترتيب المنتظم لذرات المادة غير مضطرب. على اليمين، انتقلت الاضطرابات من اليسار إلى اليمين عبر المادة، مما أدى إلى حدوث خطأ تراص (أرجواني) حيث لا تصطف الطبقات المتجاورة من البلورة تمامًا كما ينبغي. الائتمان: جريج ستيوارت / مختبر المسرع الوطني SLAC

وقالت: “حتى الآن، لم يتمكن أحد من قياس مدى سرعة انتشار هذه الاضطرابات عبر المواد بشكل مباشر”. استخدم فريقها التصوير الشعاعي بالأشعة السينية – على غرار الأشعة السينية الطبية التي تكشف الجزء الداخلي من الجسم – لقياس سرعة انتشار الاضطرابات من خلال الماس، مما أدى إلى دروس يجب أن تنطبق على مواد أخرى أيضًا. ووصفوا النتائج في ورقة بحثية نشرت في 5 أكتوبر في المجلة علوم.

مطاردة سرعة الصوت

لقد ظل العلماء يتناقشون حول ما إذا كانت الاضطرابات يمكن أن تنتقل عبر المواد بشكل أسرع من الصوت منذ ما يقرب من 60 عامًا. وخلص عدد من الدراسات إلى أنهم لا يستطيعون ذلك. لكن بعض نماذج الكمبيوتر أشارت إلى أن هذا ممكن، بشرط أن تبدأ في التحرك بسرعة أكبر من سرعة الصوت.

إن الحصول على هذه السرعة على الفور سيتطلب صدمة هائلة. لسبب واحد، ينتقل الصوت عبر المواد الصلبة بسرعة أكبر بكثير من انتقاله عبر الهواء أو الماء، اعتمادًا على طبيعة المادة ودرجة حرارتها، من بين عوامل أخرى. في حين أن سرعة الصوت عبر الهواء تُقدر بشكل عام بـ 761 ميلاً في الساعة، فإنها تصل إلى 3355 ميلاً في الساعة عبر الماء وسرعة مذهلة تبلغ 40 ألف ميل في الساعة في الماس، وهو أصلب مادة على الإطلاق.

ومما يزيد الأمور تعقيدًا، أن هناك نوعين من الموجات الصوتية في المواد الصلبة. الموجات الطولية تشبه تلك الموجودة في الهواء. ولكن نظرًا لأن المواد الصلبة لديها بعض المقاومة لمرور الصوت، فإنها تستضيف أيضًا موجات أبطأ الحركة تُعرف باسم الموجات الصوتية المستعرضة.

إن معرفة ما إذا كانت الاضطرابات فائقة السرعة يمكنها كسر أي من حواجز الصوت هذه أمر مهم من وجهة النظر العلمية والعملية. عندما تتحرك الاضطرابات بسرعة أكبر من سرعة الصوت، فإنها تتصرف بشكل مختلف تمامًا وتؤدي إلى فشل غير متوقع لم تتم نمذجته حتى الآن. وبدون قياسات، لا أحد يعرف مقدار الضرر الذي يمكن أن تحدثه هذه الاضطرابات فائقة السرعة.

وقال كينتو كاتاجيري، باحث ما بعد الدكتوراه في مجموعة البحث والمؤلف الأول للدراسة: “إذا فشلت مادة هيكلية بشكل كارثي أكثر مما توقعه أي شخص بسبب ارتفاع معدل فشلها، فهذا ليس بالأمر الجيد”. “إذا كان الصدع يتمزق في الصخور أثناء وقوع زلزال، على سبيل المثال، فقد يتسبب في المزيد من الضرر لكل شيء. نحن بحاجة إلى معرفة المزيد عن هذا النوع من الفشل الكارثي.

وأضاف دريسلهاوس ماريه أن نتائج هذه الدراسة “يمكن أن تشير إلى أن ما اعتقدنا أننا نعرفه عن أسرع فشل ممكن للمواد كان خاطئًا”.

تأثير البوب ​​توب

للحصول على أول صور مباشرة لمدى سرعة انتقال الاضطرابات، أجرت دريسلهاوس ماريه وزملاؤها تجارب على ليزر SACLA للأشعة السينية والإلكترون الحر في اليابان. لقد أجروا التجارب على بلورات صغيرة من الماس الاصطناعي.

للحصول على أول صور مباشرة لمدى سرعة انتقال الاضطرابات، استخدم الباحثون شعاع ليزر مكثف لدفع موجات الصدمة عبر بلورات الماس. ثم استخدموا شعاع ليزر الأشعة السينية لعمل سلسلة من صور الأشعة السينية للخلع الذي يتشكل وينتشر على نطاق زمني يصل إلى أجزاء من المليار من الثانية. وتم تسجيل الصور، التي تشبه الأشعة السينية الطبية التي تكشف الجزء الداخلي من الجسم، على جهاز كشف. المصدر: ك. كاتاجيري/جامعة ستانفورد

وقال كاتاجيري إن دايموند يقدم منصة فريدة لدراسة كيفية فشل المواد البلورية. لسبب واحد، آلية التشوه أبسط من تلك التي لوحظت في المعادن، مما يجعل من السهل تفسير تجارب التصوير بالأشعة السينية فائقة السرعة الصعبة. قال: لا أنواع أخرى من العيوب.

عندما يلتقي اثنان من الاضطرابات، فإنهما يجذبان أو يتنافران ويولدان المزيد من الاضطرابات. افتح علبة من الصودا المصنوعة من الألومنيوم سبيكة، والعديد من الاضطرابات الموجودة بالفعل في الغطاء – والتي تم إنشاؤها عندما تم تشكيلها في شكلها النهائي – تتفاعل وتنتج اضطرابات جديدة بمقدار تريليونات، والتي تتسلسل إلى فشل حرج مطلق حيث ينثني الجزء العلوي من العلبة وينفتح الجزء العلوي . تحكم هذه التفاعلات وكيفية تصرفها جميع الخواص الميكانيكية للمواد التي نلاحظها.

وقال دريسلهوس ماريه: “في الماس، هناك أربعة أنواع فقط من الخلع، في حين أن الحديد، على سبيل المثال، لديه 144 نوعا مختلفا محتملا من الخلع”.

وقال الباحثون إن الألماس قد يكون أصلب بكثير من المعدن. ولكن مثل علبة الصودا، فإنها ستظل تنحني من خلال تشكيل مليارات الاضطرابات إذا تم صدمها بقوة كافية.

عمل صور الأشعة السينية لموجات الصدمة

في SACLA، استخدم الفريق ضوء الليزر المكثف لتوليد موجات صادمة في بلورات الماس. ثم أخذوا بشكل أساسي سلسلة من صور الأشعة السينية فائقة السرعة للخلوعات التي تتشكل وتنتشر على نطاق زمني يصل إلى أجزاء من المليار من الثانية. يمكن فقط لأشعة الليزر ذات الإلكترون الحر أن توفر نبضات من الأشعة السينية قصيرة بما يكفي ومشرقة بدرجة كافية لالتقاط هذه العملية.

انقسمت موجة الصدمة الأولية إلى نوعين من الموجات التي استمرت في السفر عبر البلورة. الموجة الأولى، التي تسمى الموجة المرنة، شوهت البلورة مؤقتًا؛ ارتدت ذراتها إلى مواقعها الأصلية على الفور، مثل شريط مطاطي تم تمديده وإطلاقه. أما الموجة الثانية، والمعروفة باسم الموجة البلاستيكية، فقد شوهت البلورة بشكل دائم عن طريق خلق أخطاء صغيرة في الأنماط المتكررة للذرات التي تشكل البنية البلورية.

تُظهر هذه الصورة الشعاعية بالأشعة السينية – تشبه الأشعة السينية الطبية، ولكنها تم التقاطها بسرعة فائقة باستخدام ليزر الأشعة السينية – موجات صدمية تنتقل عبر بلورة ماسية. الموجة الأولية مرنة. تتبع ذلك موجة بلاستيكية، مما يؤدي إلى حدوث عيوب في المادة تسمى الاضطرابات التي تنتشر عبر المادة بسرعة أكبر من سرعة الصوت. يُظهر السهم مسار واتجاه إحدى حالات الخلع، والتي خلفت في أعقابها عيبًا خطيًا يسمى خطأ التراص. ويظهر الخلع نفسه عند طرف السهم. ويمكن رؤية أخطاء التراص الأخرى تنتشر من موقع صدمة الليزر. المصدر: ك. كاتاجيري/جامعة ستانفورد

تؤدي هذه التحولات الصغيرة، أو الاضطرابات، إلى إنشاء “صدوع تراصية” حيث تتحرك الطبقات المتجاورة من البلورة بالنسبة لبعضها البعض بحيث لا تصطف بالطريقة التي ينبغي لها. تنتشر أخطاء التراص إلى الخارج من حيث ضرب الليزر الماس، وهناك خلع متحرك عند الطرف الأمامي لكل خطأ تراص.

وباستخدام الأشعة السينية، اكتشف الباحثون أن الاضطرابات تنتشر عبر الماس بشكل أسرع من سرعة النوع الأبطأ من الموجات الصوتية، الموجات المستعرضة، وهي ظاهرة لم يسبق رؤيتها في أي مادة من قبل.

الآن، قال كاتاجيري، يخطط الفريق للعودة إلى منشأة الإلكترون الحر للأشعة السينية، مثل SACLA أو مصدر الضوء المتماسك Linac Coherent Light Source، LCLS التابع لـ SLAC، لمعرفة ما إذا كانت الاضطرابات يمكن أن تنتقل بشكل أسرع من سرعة الصوت الطولية الأعلى في الماس. ، الأمر الذي سيتطلب صدمات ليزر أكثر قوة. وقال إنه إذا كسروا حاجز الصوت هذا، فسيتم اعتبارهم أسرع من الصوت حقًا.

المرجع: “انتشار الخلع ترانسونيك في الماس” بقلم كينتو كاتاجيري، تاتيانا بيكوز، ليشاو فانغ، برونو ألبرتازي، شونسوكي إيغاشيرا، يويتشي إينوبوشي، جينكي كاميمورا، ريوسوكي كوداما، ميشيل كونيغ، برنارد كوزيوزيمسكي، غورو ماساوكا، كوهي ميانشي، هيروتاكا ناكامورا، ماساتو أوتا، غابرييل ريجون، يويتشي ساكاوا، تاكايوشي سانو، فرانك شوفس، زوي جيه سميث، كييتشي سويدا، تاداشي توغاشي، توماسو فينشي، ييفان وانغ، ماكينا ياباشي، توشينوري يابوتشي، ليورا إي. دريسلهاوس-ماريه ونوريماسا أوزاكي، 5 أكتوبر 2023 , علوم.
دوى: 10.1126/science.adh5563

ليورا دريسلهاوس ماريه هي باحثة في معهد ستانفورد للمواد والعلوم (SIMES) في SLAC ومعهد ستانفورد PULSE. باحثون من جامعة أوساكا، معهد أبحاث الإشعاع السنكروتروني الياباني، RIKEN الربيع-8 مركز و جامعة ناغويا في اليابان؛ ومختبر لورانس ليفرمور الوطني التابع لوزارة الطاقة؛ مركز كولهام للعلوم في المملكة المتحدة؛ وساهمت مدرسة البوليتكنيك في فرنسا أيضًا في هذا البحث. وجاء التمويل الرئيسي من مكتب القوات الجوية الأمريكية للبحث العلمي.