Ce graphique illustre la transformation des nanocristaux de sulfure de cadmium d'un arrangement hexagonal (à gauche) à un arrangement cubique (à droite). Un état intermédiaire légèrement compressé que les chercheurs dirigés par le SLAC ont vu est représenté au milieu. Crédit :Greg Stewart/SLAC
(Phys.org) —Des chercheurs dirigés par le SLAC ont effectué les premières mesures directes d'un réarrangement atomique petit et extrêmement rapide, associé à une classe appelée transformations martensitiques, qui modifie radicalement les propriétés de nombreux matériaux importants, telles que le doublement de la dureté de l'acier et le retour des alliages à mémoire de forme à une forme antérieure.
En utilisant des ondes de choc à haute pression et des impulsions de rayons X ultracourtes à la source de lumière cohérente Linac (LCLS), les chercheurs ont observé les détails de la façon dont cette transformation a modifié la structure atomique interne d'un système modèle, nanocristaux parfaits de sulfure de cadmium. Dans le processus, ils ont vu pour la première fois que les nanocristaux passent par un état intermédiaire théoriquement prévu lorsqu'ils subissent ce changement.
« Concevoir et concevoir de nouveaux matériaux avec les propriétés souhaitées, nous aimerions comprendre les chemins microscopiques détaillés qu'ils suivent au fur et à mesure qu'ils se transforment, " a déclaré le chef de l'équipe, Aaron Lindenberg, professeur assistant au SLAC et à Stanford. "La transformation martensitique est particulièrement importante car elle se produit dans de nombreux matériaux importants. Notre technique devrait finalement nous aider à voir ce qui se passe également dans d'autres transformations atomiques."
Les résultats des recherches de l'équipe ont été publiés le mois dernier dans Nano lettres .
Un composite d'environ 300 images de diffraction des rayons X à action d'arrêt montre la transformation martensitique de nanocristaux de sulfure de cadmium. En regardant de gauche à droite, la ligne bleu clair en haut provient de l'arrangement atomique hexagonal. Elle disparaît environ 250 picosecondes (millièmes de seconde) après le début de l'expérience et est remplacée environ 50 picosecondes plus tard (à droite) par la signature de la forme cubique :une ligne bleu vif au-dessus de la ligne rouge foncé sur le côté droit de l'image. Crédit :Joshua Wittenberg/SLAC et Stanford
Nommé d'après le métallurgiste allemand pionnier Adolf Martens, la transformation martensitique implique des mouvements collectifs à courte portée des atomes dans un solide cristallin lorsqu'il répond à une contrainte. Il a été étudié pendant plus de 100 ans après que Martens et ses collègues ont identifié qu'une forme cristalline altérée dans l'acier à haute teneur en carbone rapidement refroidi était responsable de sa dureté accrue. Alors que les mouvements atomiques réels dans les transformations martensitiques sont généralement plus petits qu'un nanomètre, ils peuvent avoir d'énormes effets sur les propriétés d'un matériau. En plus de durcir l'acier et de faciliter les alliages à mémoire de forme, la transformation martensitique sous-tend des phénomènes aussi divers que la déformation géologique due à la tectonique des plaques et le mécanisme par lequel les virus envahisseurs percent les parois des cellules.
Ils ont frappé une feuille de métal avec une impulsion laser infrarouge intense, l'amenant à exploser et à envoyer un choc à haute pression à travers les nanocristaux. La pression de l'onde de choc qui passe a initié la transformation. Les impulsions de rayons X LCLS ont été programmées pour frapper l'échantillon à plusieurs fractions de seconde après le choc, produire des images de diffraction des rayons X en stop-action qui ont montré les positions précises des atomes du nanocristal au cours des différentes étapes de la transformation, qui n'a pris que 50 billions de seconde pour terminer. Les scientifiques ont également modifié l'intensité du laser pour créer des chocs de différentes pressions de pointe.
L'équipe a découvert que les transformations causées par les chocs à plus haute pression procédaient directement de l'hexagone au cubique, tandis que ceux déclenchés par les chocs à basse pression formaient un état intermédiaire temporaire. Des simulations calculées par d'autres chercheurs avaient prédit l'intermédiaire, dit Lindenberg. Mais son absence dans le cas des hautes pressions peut être une indication que les chocs violents agissent comme des catalyseurs, abaisser la barrière énergétique de la transformation pour qu'elle puisse procéder directement.
"Cet ensemble d'expériences montre la puissance d'utiliser LCLS, des lasers de haute puissance et des nanocristaux pour examiner les réarrangements atomiques rapides qui sont si importants dans la création des propriétés des matériaux, " Lindenberg a dit. " Jusqu'à maintenant, il n'y a eu que des calculs théoriques sur la façon dont ces transformations devraient se produire. Maintenant, nous pouvons apprendre de première main ce qui se passe réellement."
