Команда SLAC в реальном времени наблюдает постепенное плавление меди при экстремально высоких температурах

Исследователи из SLAC National Accelerator Laboratory, подведомственного Министерству энергетики США, совместно с коллегами с помощью мегаэлектронвольтного сверхбыстрого электронного дифрактометра (MeV-UED) в реальном времени наблюдали процесс плавления атомов меди при экстремально высоких температурах. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Будущим термоядерным электростанциям предстоит воспроизводить на Земле термоядерные реакции, происходящие в недрах звёзд. Температура плазмы в их активной зоне может достигать сотен миллионов градусов Цельсия, а окружающие конструкционные материалы должны выдерживать внезапные и интенсивные тепловые удары. Медь и её сплавы благодаря хорошей теплопроводности считаются способными выполнять в термоядерных системах роль “теплоотвода”, помогая поглощать и отводить тепло, выделяемое материалами вблизи зоны реакции. Поэтому понимание микроскопического поведения меди при температурах, близких к точке плавления или превышающих её, имеет важное значение для проектирования материалов термоядерных установок.

Традиционные испытания обычно предполагают наблюдение конечного состояния образца после высокотемпературной обработки, что затрудняет воспроизведение конкретного процесса плавления. В данном исследовании команда поместила тонкую медную плёнку в установку MeV-UED в SLAC, быстро нагревала образец лазером и с помощью электронного пучка фиксировала структурные изменения на атомном уровне в процессе нагрева. Эта установка способна регистрировать движение атомов и молекул с фемтосекундным разрешением, что позволило исследователям поэтапно проследить процесс плавления меди.

Ранее моделирование предполагало, что при сверхбыстром нагреве медь начинает плавиться с поверхности при температуре около 1085 градусов Цельсия; по мере повышения температуры плавление продолжается на боковых сторонах и кромках образца, а центральная область, испытывающая более высокое давление, может дольше сохранять кристаллическую решётку. При повышении температуры до примерно 1424 градусов Цельсия, то есть примерно в 1,25 раза выше точки плавления и предела перегрева меди, ожидалось, что оставшаяся решётка внезапно разрушится, перейдя в полностью неупорядоченное жидкое состояние.

Результаты эксперимента отличались от этого прогноза. Исследователи не наблюдали мгновенного коллапса кристаллической решётки, вместо этого процесс плавления оказался более медленным и непрерывным. Даже при превышении ожидаемого предела перегрева кристаллическая решётка меди не теряла упорядоченность немедленно.

Команда исследователей полагает, что расхождения связаны с упрощением условий давления в моделировании. Существующие модели обычно предполагают, что плавящаяся медь находится в статическом окружении, давление вокруг образца равномерно, а положение атомов жёстко зафиксировано; в реальных же экспериментах со сверхбыстрым нагревом состояние давления более динамично, атомы способны к релаксации и перемещению. Эти изменения давления и движения атомов позволяют меди сохранять определённую степень упорядоченной структуры даже после превышения предела перегрева. Включив эти факторы в молекулярно-динамическое моделирование, команда успешно воспроизвела наблюдаемое в эксперименте поведение атомов меди.

Учёный SLAC, ответственный за исследование, Мяньчжэнь Мо, отметила, что данные реальных экспериментов позволяют выявить ключевые факторы, упущенные в сложном моделировании, и тем самым улучшить прогнозирование экстремального поведения материалов. Старший автор статьи, директор отдела физики высоких плотностей энергии SLAC Зигфрид Гленцер (Siegfried Glenzer), заявил, что высокоточные наблюдения с высоким разрешением помогают раскрыть сверхбыстрые, сверхмикроскопические динамические процессы и повышают прогностическую способность моделей.

Эксперимент также показал, что в условиях сверхбыстрого нагрева медь демонстрирует явление предплавления, то есть до достижения стандартной точки плавления на поверхности нанозёрен и в областях границ зёрен уже начинается разупорядочение.

На следующем этапе команда планирует продолжить испытания поведения меди в условиях гидростатического давления, чтобы проверить, будет ли она разрушаться вблизи предела перегрева, как предсказывает моделирование. На основе дальнейшего понимания свойств чистой меди команда также изучит более сложную динамику медных сплавов и их потенциал поглощения тепла в термоядерных системах. Исследование частично поддержано Отделом термоядерных энергетических наук Управления науки Министерства энергетики США и программами целевых исследований и разработок лаборатории SLAC.