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想象一下，把一個(gè)網(wǎng)球扔到臥室的床墊上。網(wǎng)球會(huì)使床墊有點(diǎn)彎曲，但不是永久性的--把球撿起來(lái)，床墊就會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的位置和強(qiáng)度?？茖W(xué)家稱(chēng)這是一種彈性狀態(tài)。另一方面，如果你扔下重物--如冰箱--力量會(huì)將床墊推到科學(xué)家所說(shuō)的塑性狀態(tài)。在這個(gè)意義上，塑性狀態(tài)與你冰箱里的塑料奶瓶不同，而是一種材料原子結(jié)構(gòu)的永久性重新排列。當(dāng)你移開(kāi)冰箱時(shí)，床墊會(huì)被壓縮，至少可以說(shuō)是不舒服的。

但是，材料的彈塑性轉(zhuǎn)變不僅僅關(guān)系到床墊的舒適度。了解當(dāng)一種材料在高壓下從彈性過(guò)渡到塑性時(shí)，在原子層面上發(fā)生了什么，可以讓科學(xué)家為航天器和核聚變實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)更強(qiáng)大的材料。

到目前為止，科學(xué)家們?cè)谶^(guò)去未能捕捉到材料轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄缘那逦鷪D像，使他們對(duì)微觀原子在決定離開(kāi)其舒適的彈性狀態(tài)并進(jìn)入塑性世界時(shí)正在做什么一無(wú)所知。

美國(guó)能源部SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們首次捕捉到了一個(gè)微小的鋁單晶樣品從彈性狀態(tài)過(guò)渡到塑性狀態(tài)時(shí)的高分辨率照片。這些圖像將使科學(xué)家們能夠在現(xiàn)象發(fā)生的五萬(wàn)億分之一秒內(nèi)預(yù)測(cè)材料在經(jīng)歷塑性轉(zhuǎn)變時(shí)的表現(xiàn)。這些發(fā)現(xiàn)最近發(fā)表在《自然通訊》雜志上。

科學(xué)家們需要在鋁制晶體樣品上施加力量以拍攝圖像，而冰箱顯然太大。相反，他們利用一個(gè)高能激光器用力敲擊晶體，使其狀態(tài)從彈性變?yōu)樗苄浴?

科學(xué)家們利用SLAC的快速 “電子相機(jī)”，或兆電子伏超快電子衍射(MeV-UED)儀器，在激光產(chǎn)生的沖擊波壓縮晶體時(shí)，將高能電子束穿過(guò)晶體。該電子束對(duì)晶體中的鋁核和電子的散射使科學(xué)家能夠精確地確定原子結(jié)構(gòu)。當(dāng)激光繼續(xù)壓縮樣品時(shí)，科學(xué)家們拍攝了幾張快照，形成了一種晶體在塑性過(guò)程中“跳舞的定格電影”。

更具體地說(shuō)，高分辨率的快照向科學(xué)家們展示了樣品中何時(shí)以及如何出現(xiàn)線狀缺陷--這是一種材料被擊中的力量大到無(wú)法恢復(fù)的第一個(gè)跡象。

線狀缺陷就像網(wǎng)球拍上的斷線。例如，如果你用你的網(wǎng)球拍輕輕地打一個(gè)網(wǎng)球，你的網(wǎng)球拍的線會(huì)振動(dòng)一下，但會(huì)回到它們?cè)瓉?lái)的位置。然而，如果你用球拍打保齡球，球線就會(huì)變形離開(kāi)原位，無(wú)法反彈。同樣地，當(dāng)高能激光擊中鋁晶體樣品時(shí)，晶體中的一些原子行會(huì)移位。使用MeV-UED的電子照相機(jī)跟蹤這些移動(dòng)--線狀缺陷--顯示了晶體從彈性到塑性的過(guò)程。

科學(xué)家們現(xiàn)在有了這些線狀缺陷的高分辨率圖像，揭示了缺陷生長(zhǎng)的速度以及它們一旦出現(xiàn)后是如何移動(dòng)的，SLAC科學(xué)家Mianzhen Mo說(shuō)。

Mianzhen說(shuō)：“了解塑性變形的動(dòng)態(tài)，將使科學(xué)家能夠在材料的晶格結(jié)構(gòu)中添加人工缺陷。這些人工缺陷可以提供一個(gè)保護(hù)屏障，使材料在極端環(huán)境中的高壓下不發(fā)生變形?！?

實(shí)驗(yàn)人員快速、清晰的圖像的關(guān)鍵是MeV-UED的高能電子，它使該團(tuán)隊(duì)能夠每半秒拍攝一次樣品圖像?！按蠖鄶?shù)人在UED實(shí)驗(yàn)中使用相對(duì)較小的電子能量，但我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中使用的是100倍的高能電子，”SLAC的杰出科學(xué)家Xijie Wang說(shuō)?！霸诟吣芰肯?，你在更短的脈沖中獲得更多的粒子，這提供了質(zhì)量極佳的3D圖像和更完整的過(guò)程圖。”

研究人員希望將他們對(duì)塑性的新理解應(yīng)用于不同的科學(xué)應(yīng)用，例如加強(qiáng)用于高溫核聚變實(shí)驗(yàn)的材料。高能密度科學(xué)主任Siegfried Glenzer說(shuō)，迫切需要更好地了解材料在極端環(huán)境中的反應(yīng)，以預(yù)測(cè)它們?cè)谖磥?lái)聚變反應(yīng)堆中的性能。

Glenzer說(shuō)：“這項(xiàng)研究的成功將有望促使實(shí)施更高的激光功率來(lái)測(cè)試更多種類(lèi)的重要材料?！?

該團(tuán)隊(duì)有興趣為將在ITER托卡馬克進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)測(cè)試材料，該設(shè)施希望成為第一個(gè)產(chǎn)生持續(xù)聚變能量的設(shè)施。

MeV-UED是Linac相干光源（LCLS）用戶(hù)設(shè)施的一個(gè)儀器，由SLAC代表DOE科學(xué)辦公室運(yùn)營(yíng)。部分研究是在洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的綜合納米技術(shù)中心進(jìn)行的，該中心是美國(guó)能源部科學(xué)辦公室的用戶(hù)設(shè)施。能源部科學(xué)辦公室提供了支持，部分是通過(guò)SLAC的實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)研究和發(fā)展計(jì)劃。