| | 27 июня 2015 | Нoвoсти нaуки и тexники
Учeным удaлoсь зaпeчaтлeть удaрныe вoлны, рaспрoстрaняющиeся в кристaллe aлмaзa
Oкaзывaeтся, чтo экстрeмaльныe вoздeйствия мoгут вызвaть удaрныe вoлны, кoтoрыe рaспрoстрaняются внутри кристaллa oднoгo из сaмыx твeрдыx и прoчныx мaтeриaлoв нa свете — алмаза. И ученым из германской исследовательской организации Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) удалось запечатлеть процесс распространения таких ударных волн при помощи сверхкоротких импульсов рентгеновского излучения. Эти чрезвычайно яркие и короткие вспышки рентгена позволили ученым отследить все динамические изменения кристаллической решетки алмаза, происходящие в момент прохождения ударной волны. Кроме этого, полученная последовательность снимков имела чрезвычайно высокую временную и пространственную разрешающую способность.
«Наш эксперимент открывает дверь в совершенно новую научную область» — рассказывает доктор Андреас Шропп (Dr. Andreas Schropp), работавшей в составе группы, возглавляемой профессором Кристианом Шрер (Prof. Christian Schroer), — «Мы использовали высокоскоростную рентгенографию для определения количественных изменений локальных свойств кристалла и динамических изменений структуры материи под влиянием чрезвычайных воздействий».
Во время исследований ученые использовали самый сильный рентгеновский лазер в мире, Linac Coherent Light Source LCLS, располагающийся в Национальной лаборатории линейных ускорителей SLAC, США. Исследователи установили алмазную полосу, длиной 3 сантиметра и толщиной 0.3 миллиметра в специальном держателе. Ударная волна была инициирована в алмазе при помощи короткой вспышки инфракрасного лазера, который был сфокусирован на тонкой грани кристалла. Импульс длился всего 150 пикосекунд и в нем была заключена мощность в 12 триллионов Ватт на квадратный сантиметр. Возникшая ударная волна прошла сквозь кристалл алмаза, перемещаясь со скоростью 72 тысячи километров в час.
«Для того, чтобы получить снимки столь быстрых процессов, требуется использование источника чрезвычайно коротких промежутков времени» — объясняет доктор Шропп, — «Этим источником стал рентгеновский лазер LCLS, импульс которого имеет длительность всего в 50 фемтосекунд, что позволяет запечатлеть даже самые быстрые перемещения. Используемая рентгеновская микроскопия позволила получить разрешающую способность порядка 500 нанометров на один пиксель.
Однако, каждый «выстрел» лазера полностью разрушает испытуемый образец материала. Поэтому нам пришлось повторять эксперимент с идентичными образцами, делая со сдвигом по времени один кадр изображения за один раз. И в результате мы собрали из полученных изображений полное видео, демонстрирующее процесс прохождения ударной волны сквозь кристалл алмаза».
Используя полученное видео, ученые смогли определить количественные изменения плотности материала при прохождении ударной волны. Анализ показал, что ударная волна сжимает алмаз приблизительно на 10 процентов и такой деформации не может вынести даже самый прочный материал в мире.
«Ввиду того, что алмаз обладает массой выделяющихся физических свойств, он является весьма полезным материалом как при проведении некоторых исследований, так и с технологической точки зрения» — рассказывает профессор Джером Гастингс (Prof. Jerome Hastings) из лаборатории SLAC, — «И дальнейшее изучение свойств этого материала позволит существенно расширить области его применения».
Ученые рассчитывают, что усовершенствование рентгеновских лазеров и оптимизация используемых датчиков позволят им в будущем увеличить пространственное разрешение до 100 нанометров на один пиксель. Это станет возможным после ввода в строй нового европейского рентгеновского лазера XFEL, строительство которого ведется в настоящее время. Благодаря всепроникающей природе рентгеновского излучения такую технологию можно использовать для изучения любых твердых материалов, включая и металлы.
«Такой метод исследований может дать очень много нового области науки под названием материаловедение. И, как известно, это наука определяет очень многое, с чем мы соприкасаемся буквально каждый день. Вполне вероятно, хотя это будет и не столь заметно, разработанные нами методы смогут в будущем оказать влияние и на нашу с вами жизнь» — подвел итог доктор Шропп.
