Élasticité, la capacité d'un objet à reprendre sa forme initiale, est une propriété universelle dans les matériaux solides. Mais poussé trop loin, les matériaux changent de manière irrécupérable :les élastiques se cassent en deux, les cadres métalliques se plient ou fondent et les écrans de téléphone se brisent.

Par exemple, quand le silicium, un élément abondant dans la croûte terrestre, est soumis à une chaleur et une pression extrêmes, une première onde de choc "élastique" traverse le matériau, en le laissant inchangé, suivie d'une onde de choc « inélastique » qui transforme de manière irréversible la structure du matériau.

Grâce à une nouvelle technique, les chercheurs ont pu observer et visualiser directement ce processus. A leur grande surprise, ils ont découvert qu'il comportait une étape supplémentaire qui n'avait jamais été vue auparavant :après que la première onde de choc élastique a traversé le silicium, une seconde onde élastique est apparue avant que la dernière onde inélastique ne modifie les propriétés du matériau.

Leurs résultats ont été publiés dans Avancées scientifiques La semaine dernière.

"Nous avons découvert que cette transformation est plus nuancée qu'on ne le pensait auparavant, " dit Shaughnessy Brennan Brown, un candidat postdoctoral à l'Université de Stanford et associé de recherche diplômé au SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie qui a dirigé l'analyse. "Nous avons illuminé une toute nouvelle caractéristique potentiellement observable dans d'autres matériaux."

Voir à travers une nouvelle lentille

En plus de contribuer à une meilleure compréhension du silicium, un matériau important dans des domaines comme l'ingénierie, géophysique et physique des plasmas, cette nouvelle technique ouvre la voie à la résolution de problèmes dans d'autres domaines.

"La plate-forme développée par Shaughnessy est également utile dans des domaines comme la météorologie, " dit la co-auteur Arianna Gleason-Holbrook, membre du personnel scientifique du Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) au SLAC. "Disons un gros impacteur métallique, comme le noyau résiduel d'une planète, frappe une planète terrestre. Cette technique nous permettra de zoomer et de parcourir spatialement l'histoire de ce type de choc pour répondre à un certain nombre de questions importantes, comme la façon dont la vie est livrée à une nouvelle planète ou ce qui se passe lors des collisions d'astéroïdes."

"C'est presque comme si vous aviez une vision floue pendant un moment, " elle a dit, "mais ensuite vous mettez des lunettes et le monde s'ouvre. Ce que nous avons fait dans cet article est de fournir un nouvel objectif sur les propriétés des matériaux."

Attraper la vague

Au SLAC, les chercheurs peuvent voir ce qui se passe profondément dans le ventre des échantillons en les frappant avec des impulsions laser à rayons X ultrarapides de la source de lumière cohérente Linac (LCLS), puis en utilisant les motifs formés par les rayons X diffusés pour reconstruire des images.

À l'instrument Matter in Extreme Conditions (MEC), les chercheurs font exploser les échantillons avec des impulsions intenses d'un deuxième laser haute puissance avant de les frapper avec des rayons X pour observer comment les matériaux réagissent à la chaleur et à la pression extrêmes. Dans de nombreuses expériences, les chercheurs positionnent ces deux lasers presque parallèlement l'un à l'autre. Cela les aide à comprendre comment le matériau évolue au fil du temps, mais ne leur donne pas une image claire de ce à quoi ressemblent réellement ces transformations structurelles.

Une caractéristique clé de la technique utilisée dans cet article est que les chercheurs ont profité d'un nouveau placement laser qui avait été utilisé dans les articles précédents, tirer les impulsions du deuxième laser perpendiculairement aux impulsions de rayons X du LCLS. Ce point de vue différent leur a permis d'observer les changements structurels insaisissables du silicium au fur et à mesure qu'ils se produisaient, c'est ainsi qu'ils ont imagé la deuxième onde se déplaçant à travers le silicium.

Large gamme d'échelles

Ce nouveau dispositif expérimental a également permis aux chercheurs d'agrandir ce qu'ils ont vu, en augmentant la résolution de leurs images et en leur permettant d'avoir une image holistique de ce qui arrivait au silicium à une large gamme d'échelles, du microscopique au macroscopique.

À suivre, les chercheurs vont répéter l'expérience dans des conditions beaucoup plus extrêmes et l'appliquer à une classe de matériaux beaucoup plus large pour savoir s'ils voient toujours cette étape supplémentaire, qui conduira à une meilleure compréhension de la façon dont les matériaux se transforment.

"Nous avons essayé de comprendre les processus fondamentaux de la transformation matérielle sans toujours voir l'ensemble du tableau, " dit Brennan Brown. " De nombreux scientifiques utilisent des techniques astucieuses pour aborder le problème sous différents angles. La beauté de cette nouvelle plateforme est sa clarté, la franchise et la portée."