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Resolvendo meio século de debate, os pesquisadores descobriram que pequenos defeitos lineares podem se propagar através de um material mais rapidamente do que as ondas sonoras.
Esses defeitos lineares, ou deslocamentos, são o que dão aos metais sua resistência e trabalhabilidade, mas também podem fazer com que os materiais falhem catastroficamente – que é o que acontece toda vez que você abre a aba de uma lata de refrigerante.
O fato de poderem viajar tão rápido dá aos cientistas uma nova avaliação dos tipos incomuns de danos que podem causar a uma ampla gama de materiais em condições extremas – desde rochas destruídas por um terremoto até materiais de proteção de aeronaves deformados por estresse extremo, disse. Leora Dresselhaus-Marais, professora do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia e da Universidade de Stanford, que co-liderou o estudo com a professora Norimasa Ozaki da Universidade de Osaka.
“Até agora, ninguém foi capaz de medir diretamente a rapidez com que estas deslocações se espalham pelos materiais”, disse ela. A sua equipa utilizou radiografias de raios X – semelhantes aos raios X médicos que revelam o interior do corpo – para registar a velocidade das deslocações de propagação através do diamante, produzindo lições que também devem ser aplicadas a outros materiais. Eles descreveram os resultados hoje em Ciência.
Perseguindo a velocidade do som
Os cientistas têm debatido se as deslocações podem viajar através dos materiais mais rapidamente do que o som há quase 60 anos. Vários estudos concluíram que não. Mas alguns modelos de computador indicaram que sim, poderiam – desde que começassem a se mover a uma velocidade superior à do som.
Levá-los instantaneamente a essa velocidade exigiria um choque tremendo. Por um lado, o som viaja muito mais rápido através de materiais sólidos do que através do ar ou da água, dependendo da natureza e da temperatura do material, entre outros fatores. Embora a velocidade do som no ar seja geralmente de 761 mph, é de 3.355 mph na água e incríveis 40.000 mph no diamante, o material mais duro de todos.
Para complicar ainda mais as coisas, existem dois tipos de ondas sonoras nos sólidos. As ondas longitudinais são como as do ar. Mas como os sólidos oferecem alguma resistência à passagem do som, eles também hospedam ondas de movimento mais lento, conhecidas como ondas sonoras transversais.
Saber se as deslocações ultrarrápidas podem quebrar qualquer uma dessas barreiras sonoras é importante tanto do ponto de vista científico fundamental quanto do ponto de vista prático. Quando as discordâncias se movem mais rápido que a velocidade do som, elas se comportam de maneira bastante diferente e resultam em falhas inesperadas que até agora só foram modeladas. Sem medições, ninguém sabe quanto dano essas deslocações ultrarrápidas podem causar.
“Se um material estrutural falhar de forma mais catastrófica do que se esperava devido à sua alta taxa de falha, isso não é tão bom”, disse Kento Katagiri, pós-doutorado no grupo de pesquisa e primeiro autor do artigo. “Se for uma falha que rompe a rocha durante um terremoto, por exemplo, pode causar mais danos a tudo. Precisamos aprender mais sobre esse tipo de falha catastrófica.”
Os resultados deste estudo, acrescentou Dresselhaus-Marais, “podem sugerir que o que pensávamos saber sobre a falha de materiais mais rápida possível estava errado”.
O efeito pop-top
Para obter as primeiras imagens diretas da rapidez com que as deslocações podem viajar, Dresselhaus-Marais e os seus colegas realizaram experiências no laser de elétrons livres de raios X SACLA, no Japão. Eles fizeram experimentos com minúsculos cristais de diamante sintético.
Diamond oferece uma plataforma única para estudar como os materiais cristalinos falham, disse Katagiri. Por um lado, o seu mecanismo de deformação é mais simples do que os observados em metais, tornando mais fácil a interpretação destas desafiantes experiências de imagem de raios X ultrarrápidas.
“Para compreender os mecanismos de dano, precisamos identificar características em nossas imagens que sejam inequivocamente deslocamentos, e não outros tipos de defeitos”, disse ele.
Quando dois deslocamentos se encontram, eles se atraem ou se repelem e geram ainda mais deslocamentos. Abra uma lata de refrigerante feita de uma liga de alumínio e os muitos deslocamentos que já estão na tampa – criados quando ela foi moldada em sua forma final – interagem e geram novos deslocamentos aos trilhões, que se transformam em cascata em falha crítica absoluta. conforme a parte superior da lata flexiona e a tampa se abre. Essas interações e como elas se comportam governam todas as propriedades mecânicas dos materiais que observamos.
“No diamante, existem apenas quatro tipos de deslocamento, enquanto o ferro, por exemplo, tem 144 tipos diferentes de deslocamento possíveis”, disse Dresselhaus-Marais.
O diamante pode ser muito mais duro que o metal, disseram os pesquisadores. Mas, tal como uma lata de refrigerante, ela ainda se dobrará, formando milhares de milhões de luxações, se for chocada com força suficiente.
Fazendo imagens de raios X de ondas de choque
Na SACLA, a equipe usou luz laser intensa para gerar ondas de choque em cristais de diamante. Em seguida, eles basicamente tiraram uma série de imagens ultrarrápidas de raios X das discordâncias se formando e se espalhando em uma escala de tempo de bilionésimos de segundo. Somente lasers de elétrons livres de raios X podem fornecer pulsos de raios X curtos e brilhantes o suficiente para capturar esse processo.
A onda de choque inicial se dividiu em dois tipos de ondas que continuaram a viajar através do cristal. A primeira onda, chamada onda elástica, deformou temporariamente o cristal; seus átomos retornaram imediatamente às suas posições originais, como um elástico que foi esticado e solto. A segunda onda, conhecida como onda plástica, deformou permanentemente o cristal, criando pequenos erros nos padrões repetidos de átomos que constituem a estrutura cristalina.
Essas pequenas mudanças, ou deslocamentos, criam “falhas de empilhamento” onde as camadas adjacentes do cristal se deslocam umas em relação às outras, de modo que não se alinham como deveriam. As falhas de empilhamento se propagam para fora de onde o laser atingiu o diamante, e há um deslocamento móvel na ponta principal de cada falha de empilhamento.
Com os raios X, os investigadores descobriram que as deslocações se espalham através do diamante mais rapidamente do que a velocidade do tipo mais lento de ondas sonoras, as ondas transversais – um fenómeno que nunca tinha sido visto em nenhum material antes.
Agora, disse Katagiri, a equipe planeja voltar a uma instalação de raios X de elétrons livres, como SACLA ou Linac Coherent Light Source, LCLS, do SLAC, para ver se os deslocamentos podem viajar mais rápido do que a velocidade longitudinal mais alta do som no diamante. , o que exigirá choques de laser ainda mais poderosos. Se e quando quebrarem a barreira do som, disse ele, serão considerados verdadeiramente supersônicos.
Leora Dresselhaus-Marais é investigadora do Stanford Institute for Materials and Sciences (SIMES) no SLAC e do Stanford PULSE Institute. Pesquisadores da Universidade de Osaka, do Instituto de Pesquisa de Radiação Síncrotron do Japão, do Centro RIKEN SPring-8 e da Universidade de Nagoya no Japão; Laboratório Nacional Lawrence Livermore do DOE; Centro de Ciências Culham no Reino Unido; e a École Polytechnique na França também contribuíram para esta pesquisa. O principal financiamento veio do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA.
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