Para ver cómo responden los materiales al estrés intenso, Los investigadores aplicaron descargas eléctricas a una muestra de cobre con pulsos de láser de picosegundos y utilizaron pulsos de láser de rayos X para rastrear la deformación del cobre. Capturaron cómo la red atómica del material se comprimió primero y luego se expandió, , creando poros, o vacíos, que creció, fusionados, y finalmente fracturó el material. Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
Comprender cómo los materiales se deforman y fallan catastróficamente cuando son impactados por un fuerte impacto es crucial en una amplia gama de campos. incluida la astrofísica, ciencia de materiales e ingeniería aeroespacial. Pero hasta hace poco el papel de los vacíos, o poros diminutos, en un proceso tan rápido no se pudo determinar, requiriendo que las mediciones se tomen en millonésimas de mil millonésimas de segundo.
Ahora, un equipo de investigación internacional ha utilizado rayos X ultrabrillantes para hacer las primeras observaciones de cómo estos vacíos evolucionan y contribuyen al daño en el cobre después del impacto de un choque extremo. El equipo, incluidos científicos de la Universidad de Miami, el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía y el Laboratorio Nacional Argonne, Imperial College London y las universidades de Oxford y York publicaron sus resultados en Avances de la ciencia .
"Si estos materiales están en un satélite alcanzado por un micrometeorito, una nave espacial que entra en la atmósfera a velocidad hipersónica o la explosión de un motor a reacción, tienen que absorber completamente toda esa energía sin fallar catastróficamente, "dice el autor principal James Coakley, profesor asistente de ingeniería mecánica y aeroespacial en la Universidad de Miami. "Estamos tratando de comprender qué sucede en un material durante este tipo de falla extremadamente rápida. Este experimento es la primera ronda de intentos de hacer eso, observando cómo el material se comprime y expande durante la deformación antes de que finalmente se rompa ".
queso suizo
En el experimento, los investigadores electrocutaron una muestra de cobre con pulsos de láser, luego dispersó los rayos X del láser de electrones libres de rayos X de la fuente de luz coherente Linac (LCLS) de SLAC a través del material para rastrear su deformación. A partir de los patrones que hicieron los rayos X dispersos en dos detectores, pudieron ver cómo el choque comprimía y luego expandía la red atómica del material en un detector mientras simultáneamente observaban la evolución del vacío en el segundo detector.
La compresión inicial cerró los huecos preexistentes en el material, Dice Coakley. A medida que el material se expandió de nuevo, "Obtienes más y más de estos pequeños vacíos nucleándose y creciendo a medida que el daño se extiende a través del material, como una rebanada de queso suizo. En un cierto punto, comienzan a unirse hasta que finalmente te quedas con los poros dilatados que causan el fracaso final ".
Los investigadores también descubrieron que la resistencia del material, o capacidad para resistir el daño, dependía de la rapidez con la que se aplicaba y liberaba la tensión externa.
"El brillo de los rayos X y las escalas de tiempo que pudimos observar fueron cruciales para el éxito de este experimento, "dice la Directora de Planificación Estratégica de SLAC, Despina Milathianaki, que concibió y supervisó el experimento LCLS. "Esta combinación de factores nos permitió rastrear exactamente lo que sucedió dentro de la muestra, ya que se separó en escalas de tiempo y longitud que anteriormente solo podían simularse". ofreciendo información sobre los defectos subyacentes que causaron fallas en los materiales ".
Sobreviviendo al impacto
Este experimento se centró en demostrar cómo se puede utilizar la técnica para comprender la deformación ultrarrápida del material. Los investigadores planean hacer experimentos futuros en materiales más avanzados y bajo condiciones experimentales que se asemejen más a las aplicaciones del mundo real.
"Fue emocionante poder visualizar y comprender el ciclo de vida completo de un material, Milathianaki dice:“Es una gran demostración de lo que se puede hacer en LCLS para comprender la falla de materiales de manera más amplia. El objetivo final es comprender completamente cómo fallan los materiales para que pueda diseñar nuevos materiales que puedan resistir mejor estas condiciones intensas ".