Des chercheurs du laboratoire national de l'accélérateur SLAC du ministère de l'Énergie ont enregistré le film atomique le plus détaillé de la fusion de l'or après avoir été dynamité par la lumière laser. Les connaissances qu'ils ont acquises sur la façon dont les métaux se liquéfient ont le potentiel d'aider au développement de réacteurs de puissance à fusion, usines de transformation de l'acier, engins spatiaux et autres applications où les matériaux doivent résister à des conditions extrêmes pendant de longues périodes.

La fusion nucléaire est le processus qui alimente les étoiles comme le soleil. Les scientifiques veulent copier ce processus sur Terre comme un moyen relativement propre et sûr de générer des quantités d'énergie pratiquement illimitées. Mais pour construire un réacteur à fusion, ils ont besoin de matériaux qui peuvent survivre à une exposition à des températures de quelques centaines de millions de degrés Fahrenheit et à un rayonnement intense produit lors de la réaction de fusion.

"Notre étude est une étape importante vers de meilleures prédictions des effets des conditions extrêmes sur les matériaux des réacteurs, y compris les métaux lourds comme l'or, " a déclaré Mianzhen Mo, chercheur postdoctoral au SLAC, l'un des principaux auteurs d'une étude publiée aujourd'hui dans Science . "La description au niveau atomique du processus de fusion nous aidera à faire de meilleurs modèles des dommages à court et à long terme de ces matériaux, telles que la formation de fissures et la défaillance des matériaux. »

L'étude a utilisé la caméra électronique à grande vitesse du SLAC - un instrument de diffraction ultrarapide des électrons (UED) - qui est capable de suivre les mouvements nucléaires avec une vitesse d'obturation d'environ 100 millionièmes de milliardième de seconde, ou 100 femtosecondes.

Fondre dans les poches

L'équipe a découvert que la fusion a commencé à la surface de grains nanométriques dans l'échantillon d'or - des régions dans lesquelles les atomes d'or s'alignent parfaitement dans les cristaux - et aux frontières entre eux.

"Ce comportement avait été prédit dans des études théoriques, mais nous l'avons maintenant observé pour la première fois, " dit Siegfried Glenzer, chef de la division scientifique de haute densité d'énergie du SLAC et chercheur principal de l'étude. "Notre méthode nous permet d'examiner le comportement de n'importe quel matériau dans des environnements extrêmes dans le détail atomique, ce qui est essentiel pour comprendre et prédire les propriétés des matériaux et pourrait ouvrir de nouvelles voies pour la conception de futurs matériaux."

Pour étudier le processus de fusion, les chercheurs ont concentré le faisceau laser sur un échantillon de cristaux d'or et ont observé la réaction des noyaux atomiques dans les cristaux, en utilisant le faisceau d'électrons de l'instrument UED comme sonde. En assemblant des instantanés de la structure atomique pris à divers moments après le coup laser, ils ont créé un film en stop-motion des changements structurels au fil du temps.

"Environ 7 à 8 trillionièmes de seconde après le flash laser, nous avons vu le solide commencer à se transformer en liquide, " a déclaré Zhijang Chen, chercheur postdoctoral au SLAC, l'un des principaux auteurs de l'étude. "Mais le solide ne s'est pas liquéfié partout en même temps. Au lieu de cela, nous avons observé la formation de poches de liquide entourées d'or massif. Ce mélange a évolué au fil du temps jusqu'à ce qu'il ne reste plus que du liquide après environ un milliardième de seconde."

Superbe « Vision électronique »

Pour arriver à ce niveau de détail, les chercheurs avaient besoin d'une caméra spéciale comme l'instrument UED du SLAC, qui est capable de voir la composition atomique des matériaux et est assez rapide pour suivre les mouvements extrêmement rapides des noyaux atomiques.

Et parce que le processus de fusion est destructeur, une autre caractéristique de l'instrument était également absolument cruciale.

« Dans notre expérience, l'échantillon a finalement fondu et s'est vaporisé, " a déclaré le physicien des accélérateurs Xijie Wang, responsable de l'initiative UED du SLAC. "Mais même si nous pouvions le refroidir pour qu'il redevienne solide, il n'aurait pas exactement la même structure de départ. Donc, pour chaque image du film atomique, nous voulons collecter toutes les informations structurelles dans une expérience à un seul coup - un seul passage du faisceau d'électrons à travers l'échantillon. C'est exactement ce que nous avons pu faire parce que notre instrument utilise un faisceau d'électrons très énergétique qui produit un signal fort."