研究发现线性缺陷在钻石中的传播速度超过音速

2023-10-08 10:58:11 来源：cnBeta

缺陷可以使材料变得更坚固，也可以使材料发生灾难性的故障。了解缺陷的传播速度有助于研究人员理解地震破裂、结构失效和精密制造等问题。经过半个世纪的争论，研究人员发现，微小的线性缺陷在材料中的传播速度比声波还快。

图示：强激光脉冲从右上方击中金刚石晶体，在材料中产生弹性波和塑性波（弯曲的线条）。激光脉冲在击中晶体的位置产生线性缺陷，即位错。它们在材料中的传播速度超过了横向声速，留下了堆积面--从撞击点向外扇形延伸的线条。资料来源：格雷格-斯图尔特/SLAC 国家加速器实验室

这些线性缺陷（或称位错）赋予金属以强度和可加工性，但它们也会使材料发生灾难性的失效--每次你打开一罐苏打水的拉环时都会发生这种情况。

(资料图)

能源部 SLAC 国家加速器实验室和斯坦福大学教授 Leora Dresselhaus-Marais 与大阪大学教授 Norimasa Ozaki 共同领导了这项研究。

冲击波穿过材料时会产生称为位错的缺陷--材料晶体中的微小位移会在其中传播，并留下所谓的堆积断层。左图中，材料原子的规则排列未受干扰。右图中，位错从左到右穿过材料，产生了堆叠断层（紫色），相邻的晶体层并没有按照应有的方式排列。图片来源：Greg Stewart/SLAC 国家加速器实验室

目前为止，还没有人能直接测量这些位错在材料中扩散的速度。她的团队使用 X 射线射线摄影术--类似于揭示人体内部的医用 X 射线--对位错在金刚石中的传播速度进行计时，得出的经验应该也适用于其他材料。他们在10月5日发表于《科学》（Science）杂志的一篇论文中描述了这一成果。

追逐音速

近 60 年来，科学家们一直在争论位错在材料中的传播速度能否超过声音。许多研究得出结论认为它们不能。但一些计算机模型表明，它们是可以的--前提是它们一开始就以比声音更快的速度运动。

让它们瞬间达到这种速度需要巨大的冲击力。首先，声音在固体材料中的传播速度要比在空气或水中快得多，这取决于材料的性质和温度等因素。空气中的声速一般为每小时 761 英里，而水中的声速为每小时 3355 英里，在最坚硬的材料钻石中，声速更是达到了惊人的每小时 40000 英里。

更复杂的是，固体中有两种声波。纵波和空气中的声波一样。但由于固体会对声音的传播产生一定的阻力，因此它们也会承载移动速度较慢的声波，即横向声波。

从基础科学和实用角度来看，了解超快位错是否能打破这两种声障都非常重要。当位错的移动速度超过音速时，它们的行为就会截然不同，并导致意想不到的故障，而迄今为止，这些故障还只是模型化的。如果不进行测量，没有人知道这些超快位错会造成多大的破坏。

该研究小组的博士后学者、论文第一作者片桐健人说："如果一种结构材料因其高失效率而发生的灾难性失效超出了人们的预期，那就不太妙了。比如说，如果在地震中断层冲破岩石，可能会对一切造成更大的破坏。我们需要更多地了解这类灾难性故障。"

德雷斯豪斯-马赖斯补充说，这项研究的结果"可能表明，我们以为自己对最快可能发生的材料失效的了解是错误的"。

弹顶效应

为了首次获得位错移动速度的直接图像，德雷斯豪斯-马赖斯和她的同事们在日本 SACLA X 射线自由电子激光器上进行了实验。他们在人造金刚石的微小晶体上进行了实验。

为了首次获得位错传播速度的直接图像，研究人员使用强激光束驱动冲击波穿过金刚石晶体。然后，他们使用 X 射线激光束以十亿分之一秒的时间尺度拍摄了一系列位错形成和扩散的 X 射线图像。这些图像类似于揭示人体内部的医用X射线，被记录在一个探测器上。图片来源：K. Katagiri/斯坦福大学

片桐说，金刚石为研究晶体材料如何失效提供了一个独特的平台。他说："要了解破坏机制，我们需要在图像中识别出明确的位错特征，而不是其他类型的缺陷。"

当两个位错相遇时，它们会相互吸引或排斥，并产生更多的位错。打开一罐由铝合金制成的苏打水，盖子上已经存在的许多位错--当它被塑造成最终形状时产生的位错--会相互作用并产生数以万亿计的新位错，当罐子顶部弯曲和盖子扣开时，这些位错会级联成绝对临界失效。这些相互作用及其行为方式决定了我们所观察到的材料的所有机械特性。

德雷斯豪斯-马里斯说："在钻石中，只有四种类型的位错，而以铁为例，则有 144 种不同类型的位错。"研究人员说，钻石可能比金属更坚硬。但就像汽水罐一样，如果受到足够大的冲击，它仍然会通过形成数十亿个位错而弯曲。

制作冲击波的 X 射线图像

在 SACLA，研究小组使用强激光在金刚石晶体中产生冲击波。然后，他们以十亿分之一秒的时间尺度拍摄了一系列位错形成和扩散的超快 X 射线图像。只有 X 射线自由电子激光器才能提供足够短、足够亮的 X 射线脉冲来捕捉这一过程。

最初的冲击波分裂成两种类型的波，继续穿过晶体。第一种波被称为弹性波，它能使晶体暂时变形；晶体中的原子会立即弹回原来的位置，就像橡皮筋被拉伸后松开一样。第二种波被称为塑性波，通过在构成晶体结构的原子重复模式中产生微小误差，使晶体发生永久变形。

这幅 X 射线放射影像（类似于医用 X 射线，但使用 X 射线激光以超快速度拍摄）显示了冲击波穿过金刚石晶体的情况。初始波是弹性的。塑性波紧随其后，在材料中产生称为位错的缺陷，位错在材料中的传播速度超过音速。箭头显示了一个位错的路径和方向，位错在其后留下了一个称为堆积断层的线性缺陷。在箭头的顶端可以看到位错本身。从激光冲击的位置还可以看到其他堆积断层。资料来源：K. Katagiri/斯坦福大学

这些微小的位移或差排产生了"堆积断层"，在这种断层中，晶体的相邻层相互移位，因此它们无法按照应有的方式排成一行。堆叠断层从激光击中金刚石的地方向外传播，每个堆叠断层的前端都有一个移动位错。

通过 X 射线，研究人员发现，位错在金刚石中的传播速度超过了速度较慢的声波--横波--这种现象以前从未在任何材料中出现过。

片桐说，现在，研究小组计划回到X射线自由电子设施，如SACLA或SLAC的Linac相干光源（LCLS），观察位错在金刚石中的传播速度是否能超过更高的纵向声速，这将需要更强大的激光冲击。他说，如果它们突破了音障，它们将被视为真正的超音速。

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