Pour la première fois, les scientifiques ont rapporté des expériences de diffraction in situ mesurant le macle de déformation au niveau du réseau pendant la compression de choc. Les résultats ont été publiés récemment dans La nature par une équipe de chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory et des collaborateurs de l'Université d'Oxford, Laboratoire national de Los Alamos, l'Université de York et le SLAC National Accelerator Laboratory.

La compression de choc est un domaine d'étude difficile, car il combine des conditions extrêmes, telles que les pressions et températures élevées, avec des délais ultrarapides. Pour simplifier le problème, les scientifiques supposent souvent que les matériaux solides se comportent comme un fluide, coulant et changeant de forme (plasticité) sans résistance. Encore, comme un solide, la plupart des matériaux conservent également une structure en treillis. Au fur et à mesure qu'une matière s'écoule, changer de forme, d'une manière ou d'une autre, le treillis doit également changer tout en conservant le motif régulier du treillis. L'étude de la plasticité à un niveau le plus fondamental repose alors sur la compréhension de l'évolution du réseau lors de la déformation d'un matériau.

Le glissement de dislocation (où les dislocations du réseau sont générées et se déplacent) et le jumelage (où des sous-grains se forment avec un réseau en miroir) sont les mécanismes de base de la déformation plastique. Malgré leur importance fondamentale pour la plasticité, diagnostiquer le mécanisme actif in situ (pendant le choc) a été insaisissable. Des recherches antérieures ont étudié le matériau après coup (en « récupération »), ce qui introduit des facteurs de complication supplémentaires et a conduit à des résultats contradictoires.

« Les expériences de diffraction in situ existent depuis quelques décennies, mais n'ont pris de l'importance que récemment, car les lasers à haute puissance et les lasers à électrons libres à rayons X ont rendu les mesures plus largement disponibles, plus sensible et capable d'atteindre des conditions plus extrêmes, " a déclaré Chris Wehrenberg, Physicien du LLNL et auteur principal de l'article. "Notre travail met en évidence un domaine d'étude inexploité, la répartition du signal au sein des anneaux de diffraction, qui peut fournir des informations importantes.

Les expériences de l'équipe ont été menées à la nouvelle station d'extrémité de la matière en conditions extrêmes, situé à la source de lumière cohérente Linac du SLAC, qui représente le bord d'attaque dans un grand, investissement mondial dans des installations pouvant associer la diffraction in situ aux techniques à haute pression et à haut taux de déformation.

« Dans ces expériences, vous lancez une onde de choc avec un laser, où un jet de plasma chauffé au laser crée une pression opposée dans votre échantillon, et sonder l'état de votre échantillon avec un faisceau de rayons X, " a déclaré Wehrenberg. " Les rayons X se disperseront sur l'échantillon à des angles spécifiques, former des anneaux de diffraction, et l'angle de diffusion fournit des informations sur la structure du matériau."

Malgré la popularité croissante des expériences de diffraction in situ, la plupart se concentrent sur l'angle de diffusion et ne traitent pas de la distribution du signal dans un anneau de diffraction. Bien que cette approche puisse révéler lorsqu'un matériau change de phase, il ne révélera pas comment un matériau se comporte en dehors d'une transition de phase.

En analysant les changements de distribution du signal dans les lignes, l'équipe a pu détecter des changements dans l'orientation du réseau, ou texture, et montrer si un matériau était en cours de jumelage ou de glissement. En outre, l'équipe a pu non seulement démontrer si l'échantillon—tantale, un métal à haute densité - se jumelle ou glisse lors de la compression par choc, mais ont pu le démontrer pour la plupart de toute la gamme de pressions de choc.

« LLNL est profondément engagé dans la modélisation des matériaux dans le cadre de la mission scientifique de gestion des stocks et déploie des efforts programmatiques pour modéliser le tantale au niveau moléculaire, ainsi que la modélisation de la plasticité, " a déclaré Wehrenberg. " Ces résultats sont directement applicables à ces deux efforts, fournir des données auxquelles les modèles peuvent être directement comparés à des fins d'analyse comparative ou de validation. À l'avenir, nous prévoyons de coordonner ces efforts expérimentaux avec des expériences connexes sur le National Ignition Facility de LLNL qui étudient la plasticité à des pressions encore plus élevées. »

Alors que les techniques d'analyse des données de diffraction des rayons X pour les changements de texture et de microstructure d'un matériau ont été pratiquées dans des expériences quasi-statiques, ils sont nouveaux dans le domaine des expériences de choc. Cette combinaison de techniques est pertinente pour de nombreux autres domaines. Par exemple, les caractéristiques de déformation planaire du quartz causées par le jumelage et la microfracture sont une indication courante des sites d'impact de météores, et ces caractéristiques peuvent également affecter la magnétisation d'autres matériaux géologiques. De la même manière, le jumelage joue un rôle crucial dans le comportement d'auto-affûtage des pénétrateurs balistiques et a été associé à une ductilité accrue dans les céramiques hautes performances pour les applications de blindage. Comprendre la plasticité à haut débit est essentiel pour durcir le matériel spatial contre les impacts de poussière à hypervitesse et a même des implications pour la formation de nuages ​​de poussière interstellaires.