Una tecnica a raggi X unica ha permesso agli scienziati di filmare onde sonore‘ propagazione in un cristallo di diamante. Primi a livello mondiale, i loro risultati aprono la strada all’imaging ultraveloce di materiali solidi come metalli, ceramica, roccia e ossa.
Per prevedere il comportamento dei materiali (compresa la propagazione delle onde sonore al loro interno), è necessario innanzitutto conoscerne le caratteristiche. Inoltre, supponiamo di voler manipolare o progettare nuovi materiali e farli servire a qualche scopo tecnologico, ad esempio, in circuiti elettronici o fotonici. In tal caso, è necessario comprendere molto bene le dinamiche strutturali.
I materiali cristallini solidi – come metalli, ceramica, roccia e ossa – sono notoriamente difficili da modellare. Sono costituiti da grani, domini e difetti e sono sfidati da molte forze concorrenti che esercitano la loro influenza su diversi livelli.
Per modellare tali materiali, gli scienziati hanno utilizzato raggi X altamente specializzati e sviluppato materiali con una risoluzione di soli 100 nanometri, più di 500 volte più piccoli di un capello umano.
La risoluzione, tuttavia, non è l’unica cosa da coprire. C’è anche il fatto che ciò che accade in questi materiali avviene nel tempo e gli scienziati non sono stati in grado di seguirlo in modo più dettagliato di quanto non sia i millisecondi o i secondi.
Ma all’interno dei cristalli alcune cose accadono molto velocemente, come quando cambiano forma o trasferiscono calore. Queste cose sono legate al modo in cui gli atomi nei cristalli sono disposti e si muovono. Spesso avvengono in microsecondi, a volte anche pico o nanosecondi (rispettivamente un trilionesimo/un miliardesimo di secondo).
Alla velocità del suono
Un altro fenomeno simile sono le onde sonore che viaggiano attraverso il materiale. Sono lì per molto meno di un millisecondo.
Un recente articolo sulla rivista PNAS – Imaging in tempo reale delle onde acustiche nei materiali sfusi con la microscopia a raggi X – comprende il successo di scienziati danesi e americani nel catturare proprio questo: le onde sonore che viaggiano attraverso un campione di diamante di 1 mm.
“Vogliamo vedere questi cambiamenti in 3D, ma fino ad ora non è stato possibile farlo abbastanza velocemente o senza danneggiare i cristalli. La nostra nuova tecnologia può farlo più velocemente e in modo non invasivo e funzionerà per molti cristalli”, spiega l’autore corrispondente, il professor Henning Friis Poulsen della DTU Physics. Aggiunge:
“Per ottenere immagini alla velocità del suono, era necessario costruire un microscopio completamente nuovo alla fine di un “laser a elettroni liberi a raggi X” (XFEL) lungo 3 km. Non è un dato di fatto che riuscirete a puntare una sorgente di raggi X lunga 3 km attraverso più lenti e su un campione di 1 mm di diametro, mentre sperate di vedere un’onda sonora che esiste solo per un milionesimo di secondo. “
“I nostri raggi X sottilissimi e i raggi laser ottici dovevano incontrarsi sul campione di diamante monocristallo di dimensioni mm con una precisione temporale migliore di un nanosecondo prima che i primi dati potessero essere acquisiti. Ma ce l’abbiamo fatta e credo che questi risultati ispireranno una miriade di nuove ricerche”.
Tre film di onde sonore
Il coautore Theodor S. Holstad spiega 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 – queste ultime sono entrambe, ad esempio, materiali interessanti per lo sviluppo di nuove celle solari.
“Con questa configurazione, possiamo studiare un’ampia gamma di fenomeni strutturali ultraveloci che finora erano fuori dalla portata della scienza. Visualizzare i processi strutturali su una scala temporale inferiore a un microsecondo è rilevante per la fisica dello stato solido e la scienza dei materiali. Infine, potrebbe essere utile nel campo della geoscienza testare modelli sismologici su come le onde sonore viaggiano nei materiali planetari”.
Fonte: DTU
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
