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(noticias nanowerk) Después de medio siglo de debates, los investigadores han descubierto que pequeños defectos lineales pueden propagarse a través de un material más rápido que las ondas sonoras.
Las tesis centrales
![Imagen de un intenso pulso láser que golpea un cristal de diamante desde la parte superior derecha, generando ondas elásticas y plásticas (líneas curvas) a través del material.](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id63788_1.jpg)
Investigación
Estos defectos lineales, o dislocaciones, dan a los metales su resistencia y maquinabilidad, pero también pueden causar que los materiales fallen catastróficamente, lo que sucede cada vez que se abre la lengüeta de una lata de refresco.
El hecho de que puedan viajar tan rápido está brindando a los científicos una nueva comprensión de los tipos inusuales de daños que pueden causar en condiciones extremas a una amplia gama de materiales, desde rocas destrozadas por un terremoto hasta materiales de protección de aviones deformados por tensiones extremas. dijo Leora Dresselhaus-Marais, profesora del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía y de la Universidad de Stanford, quien codirigió el estudio con la profesora Norimasa Ozaki en la Universidad de Osaka.
«Hasta ahora, nadie ha podido medir directamente la rapidez con la que estas dislocaciones se propagan a través de los materiales», dijo. Su equipo utilizó radiografías de rayos X (similares a las radiografías médicas que revelan el interior del cuerpo) para medir la velocidad a la que las dislocaciones se propagan a través de los diamantes, obteniendo conocimientos que deberían aplicarse a otros materiales.
Describieron los resultados en Ciencia (“Propagación de dislocaciones transónicas en diamantes”).
Persiguiendo la velocidad del sonido
Durante casi 60 años, los científicos han debatido si las dislocaciones pueden propagarse a través de los materiales más rápido que el sonido. Varios estudios concluyeron que esto no era posible. Pero algunos modelos de computadora sugirieron que podrían hacerlo, suponiendo que, para empezar, se movieran a velocidades supersónicas.
Llevarlos a esa velocidad inmediatamente requeriría un shock enorme. Por un lado, el sonido se propaga mucho más rápido a través de materiales sólidos que a través del aire o el agua, lo que depende, entre otras cosas, de la naturaleza y la temperatura del material. Si bien generalmente se dice que la velocidad del sonido en el aire es de 761 millas por hora, a través del agua es de 3.355 millas por hora y en el diamante, el material más duro de todos, es de unas increíbles 40.000 millas por hora.
Para empeorar las cosas, existen dos tipos de ondas sonoras en los sólidos. Las ondas longitudinales son similares a las del aire. Sin embargo, dado que los sólidos ofrecen cierta resistencia al paso del sonido, también se adaptan a ondas más lentas, las llamadas ondas sonoras transversales.
Saber si las dislocaciones ultrarrápidas pueden romper alguna de estas barreras del sonido es importante desde una perspectiva científica y práctica fundamental. Cuando las dislocaciones se mueven más rápido que la velocidad del sonido, se comportan de manera muy diferente y provocan fallos inesperados que hasta ahora sólo habían sido modelados. Sin mediciones, nadie sabe qué daños pueden causar estas dislocaciones ultrarrápidas.
«Si un material estructural falla más catastróficamente de lo que nadie esperaba debido a su alta tasa de fallas, eso no es tan bueno», dijo Kento Katagiri, investigador postdoctoral en el grupo de investigación y primer autor del artículo. “Por ejemplo, si se trata de una falla que rompe la roca durante un terremoto, podría causar daños aún mayores. Necesitamos aprender más sobre este tipo de fracaso catastrófico”.
Los resultados de este estudio, añadió Dresselhaus-Marais, «pueden indicar que lo que pensábamos que sabíamos sobre la falla material más rápida posible estaba equivocado».
![Se utiliza un intenso rayo láser para generar ondas de choque a través de cristales de diamante.](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id63788_2.jpg)
El efecto pop top
Para obtener las primeras imágenes directas de la rapidez con la que se pueden propagar las dislocaciones, Dresselhaus-Marais y sus colegas realizaron experimentos en el láser de electrones libres de rayos X SACLA en Japón. Realizaron los experimentos con pequeños cristales de diamante sintético.
Diamond ofrece una plataforma única para estudiar cómo fallan los materiales cristalinos, dijo Katagiri. En primer lugar, su mecanismo de deformación es más simple que el observado en los metales, lo que facilita la interpretación de estos desafiantes experimentos de imágenes de rayos X ultrarrápidos.
«Para comprender los mecanismos de daño, necesitamos identificar características en nuestras imágenes que sean claramente dislocaciones y no otros tipos de defectos», dijo.
Cuando dos dislocaciones se encuentran, se atraen o se repelen, creando más dislocaciones. Al abrir una lata de refresco de aleación de aluminio, las numerosas dislocaciones que ya se encuentran en la tapa, creadas cuando se le dio su forma final, interactúan y crean billones de nuevas dislocaciones, lo que provoca una falla crítica absoluta en las curvas de la parte superior de la lata y en la tapa emergente. se abre. Estas interacciones y su comportamiento determinan todas las propiedades mecánicas de los materiales que observamos.
«En el diamante sólo hay cuatro tipos de dislocaciones, mientras que el hierro, por ejemplo, tiene 144 tipos diferentes de dislocaciones posibles», dijo Dresselhaus-Marais.
Los investigadores dijeron que el diamante podría ser mucho más duro que el metal. Pero, al igual que una lata de refresco, aún así se doblará y formará miles de millones de deformaciones si se le aplica un impacto lo suficientemente fuerte.
![Cómo las dislocaciones que se propagan crean fallas de apilamiento en un material](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id63788_3.jpg)
Tomar imágenes de rayos X de ondas de choque.
En SACLA, el equipo utilizó una intensa luz láser para crear ondas de choque en cristales de diamante. Luego, esencialmente tomaron una serie de imágenes de rayos X ultrarrápidas de las dislocaciones que se estaban formando y extendiendo en una escala de tiempo de mil millonésimas de segundo. Sólo los láseres de rayos X de electrones libres pueden emitir pulsos de rayos X suficientemente cortos y brillantes para detectar este proceso.
La onda de choque inicial se dividió en dos tipos de ondas que continuaron propagándose a través del cristal. La primera onda, llamada onda elástica, deformó temporalmente el cristal; Sus átomos inmediatamente volvieron a sus posiciones originales, como una banda elástica que se estira y se suelta. La segunda onda, conocida como onda plástica, deformó permanentemente el cristal provocando pequeños defectos en los patrones repetidos de los átomos que forman la estructura cristalina.
Estos pequeños cambios, o dislocaciones, crean «fallas de apilamiento», en las que las capas adyacentes del cristal se desplazan entre sí de modo que no están alineadas como deberían. Las fallas de apilamiento se propagan hacia afuera desde donde el láser golpea el diamante y hay una dislocación móvil en la punta principal de cada falla de apilamiento.
Utilizando rayos X, los investigadores descubrieron que las dislocaciones en el diamante se propagaban más rápido que la velocidad del tipo más lento de ondas sonoras, las ondas transversales, un fenómeno nunca antes observado en ningún material.
Ahora, dice Katagiri, el equipo planea regresar a una instalación de rayos X de electrones libres como SACLA o la Fuente de Luz Coherente Linac (LCLS) de SLAC para ver si las dislocaciones pueden propagarse más rápido que la mayor velocidad del sonido longitudinal en el diamante, que es aún más fuerte. Se requieren descargas láser. Si rompen esa barrera del sonido, serían considerados verdaderos misiles supersónicos, afirmó.
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