Illustration d’une impulsion laser intense frappant un cristal de diamant depuis le coin supérieur droit, entraînant des ondes élastiques et plastiques (lignes courbes) à travers le matériau. L’impulsion laser crée des défauts linéaires, appelés dislocations, aux points où elle frappe le cristal. Ils se propagent à travers le matériau plus rapidement que la vitesse transversale du son, laissant derrière eux les facultés d’empilement – les lignes s’étendant depuis le site d’impact. Crédit : Greg Stewart/Laboratoire national des accélérateurs du SLAC
Les défauts peuvent rendre un matériau plus résistant ou le faire échouer de manière catastrophique. Connaître la vitesse à laquelle ils se déplacent peut aider les chercheurs à comprendre des éléments tels que les ruptures sismiques, les défaillances structurelles et la fabrication de précision.
Après un demi-siècle de débat, des chercheurs ont découvert que de minuscules défauts linéaires peuvent se propager à travers un matériau plus rapidement que les ondes sonores.
Ces défauts linéaires, ou dislocations, confèrent aux métaux leur résistance et leur maniabilité, mais ils peuvent également provoquer des défaillances catastrophiques des matériaux – ce qui se produit chaque fois que vous appuyez sur la languette d’une canette de soda.
Le fait qu’ils puissent voyager si vite donne aux scientifiques une nouvelle appréciation des types inhabituels de dommages qu’ils pourraient causer à un large éventail de matériaux dans des conditions extrêmes – depuis la roche déchirée par une rupture sismique jusqu’aux matériaux de blindage des avions déformés par des contraintes extrêmes, a déclaré Leora Dresselhaus-Marais, professeur au Laboratoire national des accélérateurs SLAC du Département de l’énergie et à l’Université de Stanford, qui a codirigé l’étude avec le professeur Norimasa Ozaki de l’Université d’Osaka.
Une onde de choc traversant un matériau peut créer des défauts appelés dislocations – de minuscules déplacements dans le cristal du matériau qui se propagent à travers celui-ci, laissant derrière lui ce que l’on appelle des défauts d’empilement. À gauche, la disposition régulière des atomes du matériau n’est pas perturbée. À droite, les dislocations se sont déplacées de gauche à droite à travers le matériau, créant un défaut d’empilement (violet) où les couches adjacentes du cristal ne s’alignent pas exactement comme elles le devraient. Crédit : Greg Stewart/Laboratoire national des accélérateurs du SLAC
« Jusqu’à présent, personne n’a été en mesure de mesurer directement la rapidité avec laquelle ces dislocations se propagent à travers les matériaux », a-t-elle déclaré. Son équipe a utilisé la radiographie aux rayons X – similaire aux rayons X médicaux révélant l’intérieur du corps – pour mesurer la vitesse de propagation des luxations à travers le diamant, ce qui a permis de tirer des leçons qui devraient également s’appliquer à d’autres matériaux. Ils ont décrit les résultats dans un article publié le 5 octobre dans la revue Science.
À la poursuite de la vitesse du son
Les scientifiques débattent depuis près de 60 ans pour savoir si les dislocations peuvent traverser les matériaux plus rapidement que le son. Un certain nombre d’études ont conclu que ce n’était pas possible. Mais certains modèles informatiques ont indiqué que oui, ils le pouvaient – à condition qu’ils commencent à se déplacer à une vitesse supérieure à celle du son.
Les amener instantanément à cette vitesse nécessiterait un choc énorme. D’une part, le son se propage beaucoup plus rapidement à travers les matériaux solides que dans l’air ou l’eau, en fonction, entre autres facteurs, de la nature et de la température du matériau. Alors que la vitesse du son dans l’air est généralement estimée à 761 mph, elle est de 3 355 mph dans l’eau et un incroyable 40 000 mph dans le diamant, le matériau le plus dur de tous.
Pour compliquer encore plus les choses, il existe deux types d’ondes sonores dans les solides. Les ondes longitudinales sont comme celles de l’air. Mais comme les solides opposent une certaine résistance au passage du son, ils hébergent également des ondes plus lentes appelées ondes sonores transversales.
Savoir si les dislocations ultrarapides peuvent briser l’une ou l’autre de ces barrières acoustiques est important du point de vue scientifique fondamental et du point de vue pratique. Lorsque les dislocations se déplacent plus rapidement que la vitesse du son, elles se comportent très différemment et entraînent des défaillances inattendues qui n’ont jusqu’à présent été que modélisées. Sans mesures, personne ne sait quels dégâts ces dislocations ultrarapides peuvent causer.
« Si un matériau structurel tombe en panne de manière plus catastrophique que prévu en raison de son taux de défaillance élevé, ce n’est pas si bon », a déclaré Kento Katagiri, chercheur postdoctoral au sein du groupe de recherche et premier auteur de l’article. « S’il s’agit d’une faille qui éclate dans la roche lors d’un tremblement de terre, par exemple, cela pourrait causer encore plus de dégâts. Nous devons en apprendre davantage sur ce type d’échec catastrophique.
Les résultats de cette étude, a ajouté Dresselhaus-Marais, « pourraient suggérer que ce que nous pensions savoir sur la défaillance des matériaux la plus rapide possible était faux ».
L’effet pop-top
Pour obtenir les premières images directes de la vitesse à laquelle les luxations peuvent se déplacer, Dresselhaus-Marais et ses collègues ont réalisé des expériences au laser à électrons libres à rayons X SACLA au Japon. Ils ont fait des expériences sur de minuscules cristaux de diamant synthétique.
Pour obtenir les premières images directes de la vitesse à laquelle les luxations peuvent se déplacer, les chercheurs ont utilisé un faisceau laser intense pour propulser des ondes de choc à travers des cristaux de diamant. Ensuite, ils ont utilisé un faisceau laser à rayons X pour réaliser une série d’images aux rayons X des dislocations se formant et se propageant sur une échelle de temps de plusieurs milliardièmes de seconde. Les images, semblables à des radiographies médicales révélant l’intérieur du corps, ont été enregistrées sur un détecteur. Crédit : K. Katagiri/Université de Stanford
Diamond offre une plate-forme unique pour étudier la défaillance des matériaux cristallins, a déclaré Katagiri. D’une part, son mécanisme de déformation est plus simple que ceux observés dans les métaux, ce qui facilite l’interprétation de ces expériences difficiles d’imagerie à rayons X ultrarapides. « Pour comprendre les mécanismes de dommages, nous devons identifier les caractéristiques de nos images qui sont sans ambiguïté des luxations, et pas d’autres types de défauts », a-t-il déclaré.
Lorsque deux luxations se rencontrent, elles s’attirent ou se repoussent et génèrent encore plus de luxations. Ouvrez une canette de soda en aluminium alliage, et les nombreuses luxations qui se trouvent déjà dans le couvercle – créées lorsqu’il a été façonné dans sa forme finale – interagissent et engendrent de nouvelles luxations par milliards, qui se transforment en échec critique absolu lorsque le haut de la boîte fléchit et que le couvercle s’ouvre d’un seul coup. . Ces interactions et leur comportement régissent toutes les propriétés mécaniques des matériaux que nous observons.
« Dans le diamant, il n’y a que quatre types de luxations, tandis que le fer, par exemple, a 144 types de luxations possibles », a déclaré Dresselhaus-Marais.
Le diamant pourrait être beaucoup plus dur que le métal, selon les chercheurs. Mais tout comme une canette de soda, elle se pliera toujours en formant des milliards de dislocations si elle est suffisamment choquée.
Réalisation d’images radiographiques d’ondes de choc
Au SACLA, l’équipe a utilisé une lumière laser intense pour générer des ondes de choc dans les cristaux de diamant. Ensuite, ils ont essentiellement pris une série d’images aux rayons X ultrarapides des dislocations se formant et se propageant sur une échelle de temps de plusieurs milliardièmes de seconde. Seuls les lasers à rayons X à électrons libres peuvent fournir des impulsions de rayons X suffisamment courtes et suffisamment brillantes pour capturer ce processus.
L’onde de choc initiale s’est divisée en deux types d’ondes qui ont continué à traverser le cristal. La première vague, appelée onde élastique, déformait temporairement le cristal ; ses atomes ont immédiatement rebondi dans leur position d’origine, comme un élastique étiré et relâché. La deuxième vague, connue sous le nom d’onde plastique, a déformé le cristal de manière permanente en créant de petites erreurs dans les motifs répétitifs des atomes qui composent la structure cristalline.
Cette image radiographique aux rayons X – semblable à une radiographie médicale, mais prise à une vitesse ultrarapide avec un laser à rayons X – montre des ondes de choc traversant un cristal de diamant. La vague initiale est élastique. L’onde plastique suit, créant des défauts dans le matériau appelés dislocations qui se propagent à travers le matériau plus rapidement que la vitesse du son. La flèche montre le chemin et la direction d’une luxation, qui a laissé dans son sillage un défaut linéaire appelé défaut d’empilement. La luxation elle-même est visible au bout de la flèche. D’autres défauts d’empilement peuvent être observés en éventail à partir du site du choc laser. Crédit : K. Katagiri/Université de Stanford
Ces minuscules déplacements, ou dislocations, créent des « défauts d’empilement » dans lesquels les couches adjacentes du cristal se déplacent les unes par rapport aux autres, de sorte qu’elles ne s’alignent pas comme elles le devraient. Les défauts d’empilement se propagent vers l’extérieur à partir de l’endroit où le laser a touché le diamant, et il y a une dislocation mobile à l’extrémité avant de chaque défaut d’empilement.
Grâce aux rayons X, les chercheurs ont découvert que les dislocations se propageaient à travers le diamant plus rapidement que la vitesse des ondes sonores plus lentes, les ondes transversales – un phénomène qui n’avait jamais été observé dans aucun matériau auparavant.
Maintenant, a déclaré Katagiri, l’équipe prévoit de retourner dans une installation à électrons libres à rayons X, telle que SACLA ou la source de lumière cohérente Linac du SLAC, LCLS, pour voir si les dislocations peuvent se déplacer plus rapidement que la vitesse longitudinale plus élevée du son dans le diamant. , ce qui nécessitera des chocs laser encore plus puissants. S’ils franchissent le mur du son, dit-il, ils seront considérés comme de véritables supersoniques.
Leora Dresselhaus-Marais est chercheuse au Stanford Institute for Materials and Sciences (SIMES) du SLAC et au Stanford PULSE Institute. Chercheurs de l’Université d’Osaka, de l’Institut japonais de recherche sur le rayonnement synchrotron, RIKEN Printemps-8 Centre et Université de Nagoya au Japon; Laboratoire national Lawrence Livermore du DOE ; le Culham Science Centre au Royaume-Uni ; et l’École Polytechnique en France ont également contribué à cette recherche. Un financement majeur est venu du Bureau de recherche scientifique de l’US Air Force.
