Elasticidad, la capacidad de un objeto de recuperarse a su forma original, es una propiedad universal en materiales sólidos. Pero cuando se empuja demasiado lejos los materiales cambian de manera irrecuperable:las bandas elásticas se parten por la mitad, los marcos de metal se doblan o se derriten y las pantallas de los teléfonos se rompen.

Por ejemplo, cuando silicio, un elemento abundante en la corteza terrestre, está sometido a calor y presión extremos, una onda de choque "elástica" inicial viaja a través del material, dejándolo sin cambios, seguido de una onda de choque "inelástica" que transforma irreversiblemente la estructura del material.

Usando una nueva técnica, los investigadores pudieron observar e imaginar directamente este proceso. Para su sorpresa, descubrieron que incluía un paso adicional que no se había visto antes:después de que la primera onda de choque elástica viajara a través del silicio, apareció una segunda onda elástica antes de que la onda inelástica final cambiara las propiedades del material.

Sus resultados fueron publicados en Avances de la ciencia la semana pasada.

"Descubrimos que esta transformación tiene más matices de lo que se pensaba, "dice Shaughnessy Brennan Brown, un candidato postdoctoral en la Universidad de Stanford e investigador asociado de posgrado en el Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía que dirigió el análisis. "Iluminamos una característica completamente nueva potencialmente observable en otros materiales".

Viendo a través de una nueva lente

Además de contribuir a una comprensión más profunda del silicio, un material que es importante en campos como la ingeniería, geofísica y física del plasma, esta nueva técnica ilumina el camino para resolver problemas en otros campos.

"La plataforma que desarrolló Shaughnessy también es útil en áreas como meteoritos, "dice la coautora Arianna Gleason-Holbrook, científico del personal del Instituto Stanford de Ciencias de los Materiales y la Energía (SIMES) en SLAC. "Digamos que un gran impactador de metal, como el núcleo remanente de algún planeta, golpea un planeta terrestre. Esta técnica nos permitirá acercarnos y recorrer espacialmente la historia de ese tipo de choque para responder a una serie de preguntas importantes, como la forma en que la vida llega a un nuevo planeta o lo que sucede durante las colisiones de asteroides ".

"Es casi como si hubiera tenido visión borrosa por un tiempo, " ella dijo, "pero luego te pones las gafas y el mundo se abre. Lo que hemos hecho en este documento es ofrecer una nueva perspectiva sobre las propiedades de los materiales".

Cogiendo la ola

En SLAC, los investigadores pueden ver lo que está sucediendo en lo profundo del vientre de las muestras al golpearlas con pulsos de láser de rayos X ultrarrápidos de la fuente de luz coherente Linac (LCLS), y luego usar los patrones formados por los rayos X dispersos para reconstruir imágenes.

En el instrumento Materia en condiciones extremas (MEC), Los investigadores disparan las muestras con pulsos intensos de un segundo láser de alta potencia antes de golpearlas con rayos X para observar cómo los materiales responden al calor y la presión extremos. En muchos experimentos, los investigadores colocan estos dos láseres casi paralelos entre sí. Esto les ayuda a comprender cómo cambia el material con el tiempo, pero no les da una idea clara de cómo se ven realmente estas transformaciones estructurales.

Una característica clave de la técnica utilizada en este artículo es que los investigadores aprovecharon una nueva colocación de láser que se había utilizado en artículos anteriores. disparar los pulsos del segundo láser perpendicular a los pulsos de rayos X de LCLS. Este punto de vista diferente les permitió observar los esquivos cambios estructurales en el silicio a medida que ocurrían. que es cómo imaginaban la segunda onda moviéndose a través del silicio.

Amplia gama de escalas

Esta nueva configuración experimental también permitió a los investigadores ampliar lo que vieron, aumentar la resolución de sus imágenes y permitirles obtener una imagen holística de lo que le estaba sucediendo al silicio en una amplia gama de escalas, de lo microscópico a lo macroscópico.

Para dar seguimiento, Los investigadores repetirán el experimento en condiciones mucho más extremas y lo aplicarán a una clase mucho más amplia de materiales para averiguar si todavía ven este paso adicional. lo que conducirá a una mejor comprensión de cómo se transforman los materiales.

"Hemos intentado comprender los procesos fundamentales de transformación de materiales sin ver siempre el panorama completo, "Dice Brennan Brown." Muchos científicos utilizan técnicas inteligentes para abordar el problema desde diferentes ángulos. La belleza de esta nueva plataforma es su claridad, franqueza y alcance ".