Science：熔化黄金的原子影像为未来的聚变反应堆设计材料打开了新大门

美国能源部SLAC国家加速器实验室的研究人员记录下了激光爆 炸后最为精细的黄金熔化原子影像。他们对金属融化过程的全新认知，对一些长期经受极端条件材料的应用研究有很大帮助，比如核聚变反应堆、钢铁加工厂、宇宙飞船材料等等。
核聚变是为太阳等恒星提供动力的过程。科学家们希望将这一过程复制到地球上，作为产生无限能量的相对清洁和安全的方式。但要建造一个聚变反应堆，他们需要的材料必须能经受几亿华氏度的高温和聚变反应产生的强烈辐射。

“这项研究使我们能够更好的预测极端条件对反应堆材料的影响，包括像黄金这样的重金属，”SLAC博士后研究员Mianzhen Mo说，他是发表在《科学》杂志上的这项研究的主要作者之一。“熔化过程的原子级描述将帮助我们更好地模拟这些材料的短期和长期损伤，如裂纹形成和材料失效。”

这项研究使用了SLAC的高速电子相机——一种用于超高速电子衍射(UED)的仪器——它能够以1亿分之一秒(100飞秒)的快门速度跟踪核运动。

黄金以液袋的形式融化

研究小组发现，熔化开始于金样本中纳米级的晶粒表面——即金原子整齐地排列在晶体中的区域——以及它们之间的边界。

SLAC高能密度科学部门的负责人、该研究的首席研究员西格弗里德•格伦泽(Siegfried Glenzer)说:“这种行为在理论研究中得到了预测，但我们现在实际上是第一次观察到这种行为。我们的方法使我们能够在极端环境下对任何物质的行为进行详细的原子分析，这是理解和预测材料性能的关键，可以为未来材料的设计开辟新的途径。”

为了研究熔化过程，研究人员将激光束聚焦到金晶体样品上，观察晶体中原子核如何响应，使用UED仪器的电子束作为探针。 通过拼接原子结构在激光击中后不同时间的快照，他们制作了一个结构随时间变化的定格动画。

该研究的主要作者之一、SLAC博士后研究员Zhijang Chen说:“在激光闪光后大约7到8万亿分之一秒，我们看到固体开始变成液体。”但是固体并不是同时在各处液化。相反，我们观察到由固体金包围的液体袋的形成。这种混合物随着时间的推移不断演化，直到大约十亿分之一秒后只剩下液体。

高超的“电子视觉”

为了达到这样的细节水平，研究人员需要一种像SLAC的UED这样的特殊相机，它能够看到材料的原子构成，并能足够快地跟踪原子核的极快运动。

因为熔融过程是破坏性的，所以该仪器的另一个特点也是至关重要的。

“在我们的实验中，样品最终融化并蒸发了，”SLAC UED项目负责人、加速器物理学家Xijie Wang说。“即使我们能把它冷却下来，让它再次变成固体，它也不会有完全相同的初始结构。”所以，对于原子电影的每一帧，我们都想在一个单镜头实验中收集所有的结构信息。我们之所以能够做到这一点，是因为我们的仪器使用了一种高能电子束，这种电子束能产生强烈的信号。

原文来自：sciencedaily，原文题目：Atomic movie of melting gold could help design materials for future fusion reactors，由材料科技在线团队翻译整理。