2018年6月28日
美国国家加速器实验室
单晶金超快固液相转变的兆电子伏电子衍射研究。( A至C )在e = 1.17 MJ / kg的均匀熔化的选择性泵-探针延迟时间处原始衍射图案的快照。( E至G ) E = 0.36兆焦耳/千克的非均相熔化。( I至K ) e = 0.18兆焦耳/千克时的不完全熔化。对于这些不同的能量密度，在( D )、( H )和( L )中分别示出了所显示的衍射图案的径向平均线列以及在负延迟下取得的参考线列。彩条以任意单位表示散射强度。图片: (三)《科学》( 2018年)。DOI : 10.1126 /科学
能源部的SLAC国家加速器实验室的研究人员已经记录了最详细的被激光轰击后金熔化的原子录像视频。他们对金属液化方式的深入了解有助于熔融动力反应堆、钢铁加工厂、航天器和其他材料必须长期承受极端条件的应用的发展。
核聚变是给太阳这样的恒星提供能量的过程。科学家希望在地球上复制这一过程，作为一种相对清洁和安全的方式来产生几乎无限量的能量。但是要建造一个融合反应炉，他们需要能够在数亿华氏度的温度和融合反应产生的强烈辐射下生存的材料。
“我们的研究是朝着更好地预测效果迈出的重要一步，SLAC博士后研究员米安真莫说，他是今天出版的一项研究的主要作者之一科学。“对熔化过程的原子级描述将有助于我们更好地模拟这些材料的短期和长期损伤，例如裂纹形成和材料失效。"
这项研究使用了SLAC的高速电子照相机——超快电子衍射( UED )仪器——它能够以大约十亿分之一秒或100飞秒的快门速度跟踪核子运动。
口袋融化
研究小组发现，熔化始于金样品中纳米颗粒的表面——金原子整齐排列成晶体的区域——以及它们之间的边界。
SLAC高能密度科学部门负责人、该研究的主要研究人员西格弗里德·格伦泽说:“这种行为在理论研究中已经被预测，但我们现在实际上是第一次观察到这种行为。”。“我们的方法使我们能够在原子细节上检查任何材料在极端环境中的行为，这是理解和预测材料性能的关键，也为未来材料的设计开辟了新的途径。"
为了研究熔化过程，研究人员将激光束聚焦在金晶体样本上，并使用UED仪器的电子束作为探针，观察晶体中原子核的反应。通过拼接激光击中后不同时间拍摄的原子结构快照，他们制作了一部结构随时间变化的停止运动录像。
SLAC博士后研究员、该项研究的主要作者之一陈智强说:「激光闪光后约7至8万亿分之一秒，我们看到固体开始变成液体。」“但固体并没有同时到处液化。相反，我们观察到固体金包围的液体袋的形成。这种混合物随时间演变，直到大约十亿分之一秒后只剩下液体。"
超级“电子视觉”
为了达到这样的细节水平，研究人员需要一种特殊的照相机，比如SLAC的UED仪器，它能够看到原子的组成材料并且足够快来跟踪原子核。
由于熔化过程具有破坏性，仪器的另一个特点也是绝对重要的。
“在我们的实验中，样品最终熔化和蒸发了，”加速器物理学家、SLAC的UED倡议负责人王希杰说。“但即使我们能够冷却它，使它再次变成固体，它也不会有完全相同的起始结构。所以，对于原子录像的每一帧，我们都希望在一次单镜头实验中收集所有的结构信息——电子束通过样品的一次通过。我们之所以能够做到这一点，是因为我们的仪器使用了一种非常有活力的电子束产生了强烈的信号。"
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