研究了60多年的线缺陷，迎来重大突破

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对于材料中的线缺陷，或者说位错，科学家已经研究了60多年。这些位错在材料的塑性变形中起着重要作用，它们既可以使材料更坚固（比如赋予了金属以强度和可加工性），也可以使材料出现灾难性的故障。
了解位错的传播速度，可以帮助研究人员更好地了解地震破裂、结构故障和精密制造等问题。然而，一直以来，位错的最大运动速度仍是未知的，没有人能够直接测量位错在材料中的传播速度究竟有多快。
现在，在一项新发表于《科学》杂志的研究中，一组科学家通过使用X射线照相术记录了金刚石中的位错的传播速度。他们的结果表明，这些微小的缺陷可以比声波更快地在材料中传播。
追逐声音的速度
数十年来，科学家一直在争论位错是否能比声音更快地在材料中传播。许多研究得出的结论是——不能。但是一些计算机模型又表明，它们应该是可以的——前提是只要它们的初始速度比声速快。
我们都知道，声音在空气中的传播速度大约是340米/秒，但在液体、固体材料中的传播速度比在空气中快得多，具体数值取决于材料的性质、温度以及其他一些因素。通常来说，声音在水中的传播速度是1500米/秒，而在最硬的金刚石中则约能达到17881米/秒。
无论是从基础科学还是实践应用的角度来看，了解超快位错是否可以打破这些声障都是非常重要的。当位错的移动速度超过声速时，它们的行为会完全不同，并导致迄今为止只在模拟中出现过的意外故障。
然而，这并非一个容易解答的问题，如果不进行测量，就无法知道这些超快的位错会造成多大的损害。而让事情更为复杂的是，固体中有两种声波——纵向声波和横向声波。纵波和空气中传播的波很类似；但由于固体会对声音的传播产生一定的阻力，因此它们也承载着一些更慢的横波。
金刚石中的位错
在新的研究中，为了获得位错传播速度的直接画面，研究人员采用X射线自由电子激光器，在微小的人造单晶金刚石上进行了实验。金刚石为研究晶体材料中如何出现缺陷提供了一个独特的平台，它的形变机制比金属的更加简单，更易于科学家明确地识别图像中的位错，而非其他类型的缺陷。
当两个位错相遇时，它们会相互吸引或排斥，并产生更多的位错。比如，当我们打开一罐由铝合金制成的汽水罐时，盖子上的许多已经存在的位错（产生于它最终成型时）会相互作用，并产生数万亿的新位错，随着盖子弯曲、打开，这些位错会形成绝对的“临界”故障。可以说，是这些相互作用以及它们的行为，决定了材料的所有力学性能。
在金刚石中，只有四种位错；而在金属铁中，则有144种不同的可能的位错类型。虽然金刚石比金属坚硬得多，但如果受到足够大的冲击，它仍然会通过形成数以亿计的位错而弯曲。
激波的X射线图像
研究小组使用强激光在金刚石中产生激波。然后，他们拍摄了一系列超快的X射线图像，记录了在十亿分之一秒的时间尺度上的位错的形成和扩散过程。只有X射线自由电子激光器能够提供足够短、足够亮的X射线脉冲来捕捉这一过程。

研究人员使用强激光束驱动激波穿过金刚石。然后，他们使用X射线激光束在十亿分之一秒的时间尺度上，产生了一系列位错的形成和扩散的X射线图像。这些图像被记录在一个探测器上。（图/K. Katagiri/Stanford University）
研究人员观察到，最初的激波会分裂成两种波继续在金刚石中传播。第一种被称为弹性波，能暂时性地使金刚石晶体变形；它的原子会立即弹回原来的位置，就像橡皮筋被拉伸和释放一样。第二种被称为塑性波，通过在构成晶体结构的原子的重复模式中产生微小的偏差，使金刚石出现永久形变。

这张X射线图像显示了激波穿过金刚石的过程。初始波是弹性波，塑性波随之产生，在材料中造成位错。这种缺陷在材料中传播的速度比声速还快。箭头显示了位错的传播路径和方向，它在尾迹中留下了一个称为堆垛层错的线缺陷。（图/K. Katagiri/Stanford University）
这些微小的移动或位错会产生“堆垛层错”，相邻的晶体层会相互移动，因此无法按应有的方式排列。堆垛层错从激光击中金刚石的地方向外传播，而且在每个堆垛层错的尖端有一个移动的位错。通过X射线，研究人员发现，这种位错在金刚石中的传播速度比横向声波（较慢）的传播速度要快。
在材料中传播的激波会产生位错，即在材料中传播的微小移动，留下堆垛层错。左边：材料原子的规则排列没有受到干扰；右边：位错从左到右穿过材料，形成了一个堆垛层错（紫色），这一部分晶体的相邻层没有按照应有的方式排列。（图/Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory）
这种现象以前从未在任何材料中发现过。现在，研究小组计划回到X射线自由电子设备，希望能了解位错是否能比金刚石中的更高的纵向声波的传播速度更快，这将需要更强大的激光冲击。如果它们突破了这个声障，它们将被认为是真正的超音速。
#创作团队：
编译：小雨
排版：雯雯
#参考来源：
https://www6.slac.stanford.edu/news/2023-10-05-groundbreaking-study-shows-defects-spreading-through-diamond-faster-speed-sound
https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adh5563
#图片来源：
封面图&首图：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

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