Investigadores del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía han registrado la película atómica más detallada de fusión de oro después de haber sido explotada por luz láser. Los conocimientos que obtuvieron sobre cómo los metales se licúan tienen potencial para ayudar al desarrollo de reactores de potencia de fusión, plantas de procesamiento de acero, naves espaciales y otras aplicaciones donde los materiales tienen que soportar condiciones extremas durante largos períodos de tiempo.

La fusión nuclear es el proceso que impulsa a estrellas como el sol. Los científicos quieren copiar este proceso en la Tierra como una forma relativamente limpia y segura de generar cantidades virtualmente ilimitadas de energía. Pero para construir un reactor de fusión, necesitan materiales que puedan sobrevivir a la exposición a temperaturas de unos cientos de millones de grados Fahrenheit y la intensa radiación producida en la reacción de fusión.

"Nuestro estudio es un paso importante hacia mejores predicciones de los efectos que tienen las condiciones extremas en los materiales del reactor, incluyendo metales pesados ​​como el oro, "dijo el investigador postdoctoral de SLAC Mianzhen Mo, uno de los autores principales de un estudio publicado hoy en Ciencias . "La descripción a nivel atómico del proceso de fusión nos ayudará a hacer mejores modelos del daño a corto y largo plazo en esos materiales, como formación de grietas y fallas del material ".

El estudio utilizó la cámara de electrones de alta velocidad de SLAC, un instrumento para difracción ultrarrápida de electrones (UED), que es capaz de rastrear movimientos nucleares con una velocidad de obturación de aproximadamente 100 millonésimas de mil millonésimas de segundo. o 100 femtosegundos.

Derritiéndose en los bolsillos

El equipo descubrió que la fusión comenzó en las superficies de los granos de tamaño nanométrico dentro de la muestra de oro (regiones en las que los átomos de oro se alinean ordenadamente en cristales) y en los límites entre ellos.

"Este comportamiento se había predicho en estudios teóricos, pero ahora lo hemos observado por primera vez, "dijo Siegfried Glenzer, jefe de la División de Ciencias de Alta Densidad Energética de SLAC e investigador principal del estudio. "Nuestro método nos permite examinar el comportamiento de cualquier material en entornos extremos con detalle atómico, que es clave para comprender y predecir las propiedades de los materiales y podría abrir nuevas vías para el diseño de materiales futuros ".

Para estudiar el proceso de fusión, los investigadores enfocaron el rayo láser en una muestra de cristales de oro y observaron cómo respondían los núcleos atómicos en los cristales, utilizando el haz de electrones del instrumento UED como sonda. Al unir instantáneas de la estructura atómica tomadas en varios momentos después del impacto del láser, crearon una película en stop-motion de los cambios estructurales a lo largo del tiempo.

"Aproximadamente entre 7 y 8 billonésimas de segundo después del destello láser, vimos que el sólido comenzaba a convertirse en líquido, "dijo el investigador postdoctoral de SLAC, Zhijang Chen, uno de los autores principales del estudio. "Pero el sólido no se licuó en todas partes al mismo tiempo. En cambio, observamos la formación de bolsas de líquido rodeadas de oro sólido. Esta mezcla evolucionó con el tiempo hasta que solo quedó líquido después de aproximadamente una milmillonésima de segundo ".

Magnífica 'visión electrónica'

Para llegar a este nivel de detalle, los investigadores necesitaban una cámara especial como el instrumento UED de SLAC, que es capaz de ver la composición atómica de los materiales y es lo suficientemente rápido como para rastrear movimientos extremadamente rápidos de núcleos atómicos.

Y debido a que el proceso de fusión es destructivo, Otra característica del instrumento también fue absolutamente crucial.

"En nuestro experimento, la muestra finalmente se derritió y se vaporizó, "dijo el físico de aceleradores Xijie Wang, Responsable de la iniciativa UED de SLAC. "Pero incluso si pudiéramos enfriarlo para que se vuelva sólido nuevamente, no tendría exactamente la misma estructura inicial. Entonces, para cada fotograma de la película atómica, queremos recopilar toda la información estructural en un experimento de un solo disparo:un solo paso del haz de electrones a través de la muestra. Pudimos hacer precisamente eso porque nuestro instrumento usa un haz de electrones muy enérgico que produce una señal fuerte ".