By 
Щоб передбачити, як поводяться матеріали, спочатку потрібно знати їхні характеристики. Крім того, припустімо, що ви хочете маніпулювати або розробляти нові матеріали, щоб вони служили певним технологічним цілям, наприклад, в електронних або фотонних схемах. У цьому випадку вам потрібно дуже і дуже добре розуміти структурну динаміку.
Тверді кристалічні матеріали, такі як метали, кераміка, камінь і кістка, як відомо, важко моделювати. Вони складаються із зерен, доменів і дефектів, і їм кидають виклик багато конкуруючих сил, які впливають на кількох рівнях. Щоб змоделювати такі матеріали, вчені використали вузькоспеціалізоване рентгенівське випромінювання та дійшли до характеристики матеріалів із роздільною здатністю лише 100 нанометрів — у понад 500 разів менше людської волосини.
Однак роздільна здатність — це не єдине, що потрібно охопити. Існує також той факт, що те, що відбувається в цих матеріалах, відбувається з плином часу, і вчені не можуть прослідкувати це більш детально, ніж від мілісекунд до секунд. Але всередині кристалів деякі речі відбуваються дуже швидко, наприклад коли вони змінюють форму або передають тепло. Ці речі пов’язані з тим, як розташовані та рухаються атоми в кристалах. Вони часто відбуваються за мікросекунди — іноді навіть за піко-або наносекунди.
Зі швидкістю звуку
Іншим таким явищем є звукові хвилі, що проходять через матеріал. Вони там набагато менше мілісекунди. Нещодавня стаття в журналі PNAS — Зображення акустичних хвиль у сипучих матеріалах у реальному часі за допомогою рентгенівської мікроскопії — описує успіх датських і американських вчених у фіксації саме цього: звукові хвилі, що проходять крізь зразок алмазу розміром 1 мм.
«Ми хочемо побачити ці зміни в 3D, але досі це не можна було зробити досить швидко або без пошкодження кристалів. Наша нова технологія може зробити це швидше та неінвазивно, і працюватиме для багатьох кристалів», — автор-кореспондент професор Хеннінг Фрііс Поульсен з DTU Physics пояснює.
Він додає: «Щоб отримати зображення зі швидкістю звуку, необхідно було побудувати абсолютно новий мікроскоп у кінці 3-кілометрового «рентгенівського лазера на вільних електронах» (XFEL). Це не факт, що ви Це вдасться, якщо навести джерело рентгенівського випромінювання довжиною 3 км через кілька лінз і на зразок діаметром 1 мм, а ви сподіваєтеся побачити звукову хвилю, яка існує лише мільйонну частку секунди».
«Наші тонкі, як волосся, рентгенівські та оптичні лазерні промені повинні були зустрітися на зразку монокристалічного алмазу розміром міліметр із кращою точністю синхронізації, ніж наносекунди, перш ніж можна було отримати перші дані. Але ми це зробили, і я вірю, що ці результати надихнуть на безліч нових досліджень».
Три фільми звукових хвиль
Співавтор Теодор С. Холстад пояснює, що їхній підхід застосовується до всіх типів кристалічних матеріалів: «За допомогою цієї установки ми можемо досліджувати широкий спектр надшвидких структурних явищ, які досі були недоступні науці. Візуалізація структурних процесів на шкалі часу менше мікросекунди актуальна для фізики твердого тіла, матеріалознавства та геонаук».
«Наприклад, коли ви хочете зрозуміти процеси в метаматеріалах, фотонних кристалах, термоелектричних матеріалах або навіть м’яких матеріалах, таких як перилен і гібридні перовскіти. Нарешті, це може бути корисним у геонауці для перевірки сейсмологічних моделей того, як звук поширюється планетарним матеріали».
Миттєві знімки звукових хвиль були зроблені з кроком у часі всього в кілька пікосекунд і з того часу були змонтовані на невеликі плівки:
Команда зняла відео різних типів звукових хвиль, що поширюються та відбиваються від поверхні кристала:
Вони також зафіксували дисперсію (хвиля, що поширюється з часом) і затухання (ослаблення хвилі) протягом мікросекундних масштабів часу:
Нарешті, вони продемонстрували, що лише одного рентгенівського імпульсу довжиною менше тисячної наносекунди достатньо для отримання зображень, відкриваючи двері для візуалізації стохастичних і необоротних процесів у реальному часі за часовий масштаб менше мікросекунд, набагато, набагато швидше, ніж мілісекунди або мікросекунди, які сьогодні є обмеженнями. Джерело
Comments