Imagine dejar caer una pelota de tenis sobre el colchón de un dormitorio. La pelota de tenis doblará un poco el colchón, pero no de forma permanente; levante la pelota y el colchón volverá 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 tu refrigerador, sino más bien un reordenamiento permanente de la estructura atómica de un material. Cuando retire el refrigerador, el colchón estará comprimido y, bueno, incómodo, por decir lo menos.
Pero el cambio elástico-plástico de un material va más allá de la comodidad del colchón. Comprender qué le sucede a un material a nivel atómico cuando pasa de ser elástico a plástico bajo altas presiones 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 acerca de qué hacen exactamente los pequeños átomos cuando deciden dejar su cómodo estado elástico y aventurarse en el mundo plástico.
Ahora, por primera vez, los científicos del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía han capturado imágenes de alta resolución de una pequeña muestra de un solo cristal de aluminio en su transición del estado elástico al plástico. Las imágenes permitirán a los científicos predecir cómo se comporta un material a medida que sufre una transformación plástica dentro de las cinco billonésimas de segundo de los fenómenos que ocurren. El equipo publicó sus resultados hoy en Comunicaciones de la naturaleza.
El último suspiro de un cristal
Para capturar imágenes de la muestra de cristal de aluminio, los científicos necesitaban aplicar una fuerza y, obviamente, un refrigerador era demasiado grande. Entonces, en su lugar, usaron un láser de alta energía, que golpeó el cristal lo suficientemente fuerte como para empujarlo de elástico a plástico.
A medida que el láser generaba ondas de choque que comprimían el cristal, los científicos enviaron un haz de electrones de alta energía a través de él con la veloz «cámara de electrones» de SLAC o el instrumento Megaelectronvolt Ultrafast Electron Difraction (MeV-UED). Este haz de electrones dispersó los núcleos de aluminio y los electrones del cristal, lo que permitió a los científicos medir con precisión su estructura atómica. Los científicos tomaron múltiples instantáneas de la muestra mientras el láser continuaba comprimiéndola, y esta serie de imágenes resultó en una especie de video flip-book: 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 ha sido golpeado con una fuerza demasiado grande para recuperarse.
Los defectos de línea son como las cuerdas rotas de una raqueta de tenis. Por ejemplo, si usa su raqueta de tenis para golpear ligeramente una pelota de tenis, las cuerdas de su raqueta vibrarán un poco, pero volverán a su posición original. Sin embargo, si golpeas una bola de bolos con tu raqueta, las cuerdas se cambiarán fuera de lugar y no podrán recuperarse. 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 fuera de lugar. El seguimiento de estos cambios, los defectos de línea, utilizando la cámara de electrones de MeV-UED mostró el viaje de elástico a plástico del cristal.
Los científicos ahora tienen imágenes de alta resolución de estos defectos de línea, que revelan 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 tomar imágenes de muestra cada medio segundo.
«La mayoría de la gente está usando energías de electrones relativamente pequeñas en los experimentos UED, pero estamos usando 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 proporciona 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 el fortalecimiento de materiales que se utilizan en experimentos de fusión nuclear a alta temperatura. Se necesita con urgencia una mejor comprensión de las respuestas 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.
«Es de esperar que el éxito de este estudio motive la implementación de mayores potencias de láser para probar una mayor variedad de materiales importantes», dijo Glenzer.
El equipo está interesado en probar materiales para experimentos que se realizarán en ITER Tokamak, una instalación que espera ser la primera en producir energía de fusión sostenida.
MeV-UED es un instrumento de la instalación de usuario Linac Coherent Light Source (LCLS), operado por SLAC en nombre de la Oficina de Ciencias del DOE. Parte de la investigación se realizó en el Centro de Nanotecnologías Integradas del Laboratorio Nacional de Los Álamos, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. El apoyo fue proporcionado por la Oficina de Ciencias del DOE, en parte a través del programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio en SLAC.
