Imagina dejar caer una pelota de tenis sobre un colchón en el dormitorio. La pelota de tenis dobla un poco el colchón, pero no permanentemente; levante la pelota nuevamente y el colchón vuelve a su posición y resistencia originales. Los científicos llaman a esto un estado elástico.

Por otro lado, si dejas caer algo pesado, como un refrigerador, la fuerza empuja el colchón a lo que los científicos llaman un estado plástico. El estado plástico en este sentido no es lo mismo que la jarra de leche de plástico en su refrigerador, sino un reordenamiento permanente de la estructura atómica de un material. Quitar el refrigerador comprime el colchón y lo hace incómodo por decir lo menos.

Pero el desplazamiento elástico-plástico de un material afecta más que la comodidad del colchón. Comprender qué le sucede a un material a nivel atómico cuando pasa de ser elástico a plástico bajo alta presión podría permitir a los científicos diseñar materiales más fuertes para naves espaciales y experimentos de fusión nuclear.

Hasta ahora, los científicos se han esforzado por capturar imágenes claras de la transformación de un material en plasticidad, dejándolos en la oscuridad en cuanto a qué hacen exactamente los pequeños átomos cuando deciden dejar su cómodo estado elástico y aventurarse en el mundo de los plásticos.

Ahora, por primera vez, los científicos del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía de EE. UU. han adquirido imágenes de alta resolución de una pequeña muestra de aluminio monocristalino que pasa del estado elástico al plástico. Las imágenes permitirán a los científicos predecir cómo se comportará un material cuando experimente una transformación plástica dentro de las cinco mil millonésimas de segundo después de que ocurra el fenómeno. El equipo publicó sus hallazgos hoy en comunicación de la naturaleza.

El último aliento de un cristal

Para tomar fotografías de la muestra de cristal de aluminio, los científicos tuvieron que usar la fuerza y, obviamente, un refrigerador era demasiado grande. En su lugar, utilizaron un láser de alta energía que golpeó el cristal lo suficientemente fuerte como para empujarlo de elástico a plástico.

A medida que el láser creaba ondas de choque que comprimían el cristal, los científicos enviaron un haz de electrones de alta energía a través de él utilizando la rápida «cámara de electrones» de SLAC o el instrumento Mega-Electron-Volt Ultrafast Electron Difraction (MeV-UED). Este haz de electrones se dispersó en los núcleos de aluminio y los electrones en el cristal, lo que permitió a los científicos medir con precisión su estructura atómica. Los científicos tomaron varias instantáneas de la muestra mientras el láser continuaba comprimiéndola, y esta serie de imágenes dio como resultado una especie de video de libro animado: una película de stop-motion de la danza del cristal hacia la plasticidad.

Más específicamente, las instantáneas de alta resolución mostraron a los científicos cuándo y cómo aparecieron los defectos de línea en la muestra, la primera señal de que un material fue golpeado con una fuerza demasiado grande para recuperarse.

Los errores de línea son como cuerdas rotas en una raqueta de tenis. Por ejemplo, cuando golpeas suavemente una pelota de tenis con tu raqueta de tenis, las cuerdas de tu raqueta vibran un poco, pero vuelven a su posición original. Sin embargo, cuando golpeas una bola de boliche con tu bate, las cuerdas se deforman y no pueden rebotar. De manera similar, cuando el láser de alta energía golpeó la muestra de cristal de aluminio, algunas filas de átomos en el cristal se desplazaron. El seguimiento de estos cambios, los defectos de línea, con la cámara de electrones de MeV-UED mostró el viaje del cristal de elástico a plástico.

Los científicos ahora tienen imágenes de alta resolución de estos defectos de línea, que muestran qué tan rápido crecen los defectos y cómo se mueven una vez que aparecen, dijo el científico de SLAC Mianzhen Mo.

«Comprender la dinámica de la deformación plástica permitirá a los científicos agregar defectos artificiales a la estructura reticular de un material», dijo Mo. «Estos defectos artificiales pueden proporcionar una barrera protectora para evitar que los materiales se deformen a altas presiones en entornos extremos».

El momento de la UED para brillar

La clave para las imágenes claras y rápidas de los experimentadores fueron los electrones de alta energía de MeV-UED, que permitieron al equipo capturar imágenes de muestra cada medio segundo.

«La mayoría de la gente usa energías de electrones relativamente pequeñas en los experimentos UED, pero nosotros usamos electrones 100 veces más energéticos en nuestro experimento», dijo Xijie Wang, un distinguido científico de SLAC. “A alta energía, obtienes más partículas en un pulso más corto, lo que brinda imágenes tridimensionales de excelente calidad y una imagen más completa del proceso”.

Los investigadores esperan aplicar su nueva comprensión de la plasticidad a diversas aplicaciones científicas, como B. Refuerzo de materiales utilizados en experimentos de fusión nuclear a alta temperatura. Se necesita con urgencia una mejor comprensión de las reacciones de los materiales en entornos extremos para predecir su rendimiento en un futuro reactor de fusión, dijo Siegfried Glenzer, director de ciencia de alta densidad de energía.

«Con suerte, el éxito de este estudio proporcionará la motivación para implementar potencias de láser más altas para probar una variedad más amplia de materiales importantes», dijo Glenzer.

El equipo está interesado en probar materiales para los experimentos que se llevan a cabo en el tokamak del ITER, una instalación que espera ser la primera en producir energía de fusión sostenible.

MeV-UED es un instrumento de la instalación de usuario Linac Coherent Light Source (LCLS) operada por SLAC en nombre de la Oficina de Ciencias del DOE. Parte de la investigación se llevó a cabo en el Centro de Nanotecnologías Integradas del Laboratorio Nacional de Los Álamos, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. La Oficina de Ciencias del DOE brindó apoyo, en parte a través del programa de investigación y desarrollo dirigido por laboratorio en SLAC.

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