Atomski film taljenja zlata mogao bi pomoći u dizajnu materijala za buduće fuzijske reaktore

Istraživači iz Nacionalnog laboratorija za ubrzavanje čestica SLAC američkog Ministarstva energetike snimili su najdetaljniji atomski film taljenja zlata nakon izlaganja laseru. Saznanja o načinu na koji se metali pretvaraju u tekućinu mogli bi pomoći u razvoju fuzijskih reaktora, čeličana, svemirskih letjelica i drugih namjena u kojima materijali moraju u dugim razdobljima izdržavati ekstremne uvjete.

12,876

Nuklearna fuzija je proces koji pogoni zvijezde kao što je Sunce. Znanstvenici taj proces žele oponašati na Zemlji jer bi mogao poslužiti kao razmjerno čist i siguran način stvaranja praktički neograničene količine energije. No za izgradnju fuzijskog reaktora potrebni su im materijali koji mogu preživjeti temperature od preko sto milijuna stupnjeva Celzija te snažnu radijaciju nastalu prilikom fuzijske reakcije.

Naša studija predstavlja važan korak k boljem predviđanju učinaka ekstremnih uvjeta na reaktorske materijale, uključujući i teške metale kao što je zlato”, rekao je poslijedoktorski istraživač sa SLAC-a Mianzhen Mo, jedan od glavnih autora studije objavljene u časopisu Science. “Opis procesa taljenja na atomskoj razini pomoći će nam izraditi bolje modele kratkoročnog i dugoročnog oštećenja tih materijala, primjerice, nastanka pukotina i otkazivanja materijala.

Studija je koristila SLAC-ovu elektronsku kameru velike brzine, uređaj za ultrabrzu difrakciju elektrona (UED) koji nuklearno gibanje može pratiti brzinom blende od 100 milijuntinki milijarditog dijela sekunde, odnosno 100 femtosekunda.

Tim je otkrio kako taljenje počinje na površinama nanočestica u uzorku zlata – u područjima gdje su atomi zlata uredno posloženi u kristale – te na njihovim granicama.

Ovo ponašanje predvidjele su teoretske studije, ali sada smo ga po prvi put promatrali“, rekao je Siegried Glenzer, voditelj SLAC-ovog Odjela za znanost gustoće visokih energija i glavni istraživač studije. “Pomoću svoje metode možemo na atomskoj razini detalja proučavati ponašanje bilo kojeg materijala u ekstremnim uvjetima, što je ključ razumijevanja i predviđanja svojstava materijala te bi moglo otvoriti nove putove prema dizajnu budućih materijala.”

Kako bi proučavali proces taljenja, istraživači su lasersku zraku usmjerili na uzorak kristala zlata i promatrali kako u kristalima reagiraju atomske jezgre, pri čemu su kao sondu koristili elektronsku zraku uređaja UED. Spojivši sličice atomske strukture snimljene u različitim trenucima nakon udara lasera, dobili su film strukturalnih promjena u stop-animaciji.

Nakon otprilike sedam do osam trilijuntih dijelova sekunde poslije laserskog bljeska vidjeli smo kako se krutina pretvara u tekućinu“, rekao je poslijedoktorski istraživač na SLAC-u i jedan od vodećih autora studije Zhijang Chen. “No krutina se u tekućinu nije svugdje pretvorila u isto vrijeme. Naprotiv, vidjeli smo kako nastaju džepići tekućine okruženi krutim zlatom. Omjer se s vremenom mijenjao dok nakon otprilike bilijuntog dijela sekunde nije ostala samo tekućina.

Kako bi postigli ovakvu detaljnost, istraživači su morali koristiti posebnu kameru kao što je SLAC-ov UED koji može vidjeti atomski sastav materijala te je dovoljno brz za praćenje ekstremno brzih gibanja atomskih jezgara.

Budući da je proces taljenja razoran, presudno je bilo još jedno svojstvo tog instrumenta.

Uzorak se na kraju našeg eksperimenta rastalio i ispario“, rekao je fizičar akceleratora Xijie Wang, voditelj SLAC-ove Inicijative UED.

No čak i da smo ga uspjeli ohladiti toliko da se opet skruti, ne bi imao strukturu jednaku početnoj. Stoga, za svaku sličicu atomskog filma kojim u kratkoročnom eksperimentu skupljamo sve strukturalne informacije kroz uzorak mora proći jedna elektronska zraka. U tome smo uspjeli jer naš instrument koristi elektronsku zraku vrlo visoke energije koja daje snažan signal.

Leave A Reply

Your email address will not be published.