Gli scienziati immaginano le onde sonore nel cristallo

Per prevedere come si comporteranno i materiali, è necessario prima conoscerne le proprietà. Inoltre, supponiamo di voler manipolare o progettare nuovi materiali e farli servire a qualche scopo tecnologico, ad esempio nei circuiti elettronici o fotonici. In questo caso bisogna comprendere molto bene la dinamica strutturale.

I materiali cristallini solidi, come metalli, ceramica, rocce e ossa, sono molto difficili da modellare. È composto da grani, domini e difetti ed è sfidato da molte forze concorrenti che esercitano la loro influenza a più livelli. Per modellare tali materiali, gli scienziati hanno utilizzato raggi X altamente specializzati e sono arrivati ​​al punto di determinare le proprietà dei materiali con una risoluzione di soli 100 nanometri, 500 volte più piccola di un capello umano.

Ma la risoluzione non è l’unica cosa da coprire. C’è anche il fatto che ciò che accade in questi materiali accade nel tempo e gli scienziati non sono stati in grado di monitorarlo in modo più dettagliato di quello che va dai millisecondi ai secondi. Ma all’interno dei cristalli alcune cose accadono molto rapidamente, ad esempio quando cambiano forma o trasferiscono calore. Queste questioni sono legate al modo in cui gli atomi nei cristalli sono disposti e spostati. Spesso si verificano in frazioni di secondo, a volte anche in pico o nanosecondi (rispettivamente un trilionesimo/miliardesimo di secondo).

Alla velocità del suono

Un altro fenomeno simile sono le onde sonore trasmesse attraverso la materia. Sono lì per molto meno di un millisecondo. Un recente articolo sulla rivista Con le persone – Imaging in tempo reale delle onde sonore nei materiali sfusi mediante microscopia a raggi X Il successo degli scienziati danesi e americani nel catturare quanto segue include: onde sonore trasmesse attraverso un campione di diamante con un diametro di 1 mm.

“Vogliamo vedere questi cambiamenti 3D, ma fino ad ora non è possibile farlo abbastanza velocemente o senza danneggiare i cristalli. La nostra nuova tecnologia può farlo più velocemente e in modo non invasivo e funzionerà con molti più cristalli”, spiega l’autore corrispondente, il professor Henning. Friis Poulsen della DTU Fisica. Aggiunge:

“Per ottenere immagini alla velocità del suono, era necessario costruire un microscopio completamente nuovo all’estremità di un laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL) lungo 3 chilometri”. Non è un dato di fatto che si abbia successo puntando una sorgente di raggi X lunga 3 km attraverso più lenti e su un campione largo 1 mm, sperando di vedere un’onda sonora che esiste solo per un milionesimo di secondo. “I raggi dovevano convergere sul campione di diamante monocristallo delle dimensioni di un millimetro con una risoluzione temporale migliore del nanosecondo prima di poter ottenere i primi dati. Ma lo abbiamo fatto, e penso che questi risultati ispireranno una miriade di nuove ricerche.”

Tre film di onde sonore

Il coautore Theodore S. Holstad afferma che il loro approccio si applica a tutti i tipi di materiali cristallini, ad esempio, quando si desidera comprendere i processi nei metamateriali (materiali artificiali progettati con proprietà specifiche), cristalli fotonici, materiali termoelettrici o anche materiali morbidi come il perilene e le perovskiti ibride. entrambi, ad esempio, materiali interessanti per quanto riguarda lo sviluppo di nuove celle solari.

“Con questa configurazione, possiamo studiare un’ampia gamma di fenomeni strutturali ultraveloci che fino ad ora erano fuori dalla portata della scienza. Visualizzare i processi strutturali su una scala temporale inferiore al microsecondo è rilevante per la fisica dello stato solido e la scienza dei materiali. Infine, potrebbe essere utile in “Scienze della Terra per testare modelli sismici su come il suono viaggia nei materiali planetari”.

Le riprese delle onde sonore sono state catturate in intervalli temporali di pochi picosecondi e da allora sono state modificate in mini-filmati: