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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）
编辑丨风云
由外部应力引起的材料内部位错运动与材料的机械性能及其变形动力学息息相关。延性材料通过位错移动表现出塑性，而脆性材料在极端条件下同样会表现出延展性。研究表明位错介导的塑性基本机制表现出高速率敏感性的情况，在最高应变率下，位错在变形过程中以接近材料声速的速度移动。
然而，位错运动的研究仍存在以下问题：
1、位错运动的速度极限仍不明确
尽管线缺陷（位错）的运动已经被研究了60多年，但位错运动的最大速度相关问题尚未解决。
2、迄今为止尚未真正观察到超音速位错运动
大量的理论和分子动力学（MD）模拟研究已经预测了跨音速甚至超音速位错运动的存在，但尚未通过实验观察到真实晶体中的跨音速或超音速位错运动。
有鉴于此，大阪大学Kento Katagiri等人使用飞秒X射线成相技术实现了冲击压缩单晶金刚石中超快位错运动的跟踪。作者讨论了对相关图像特征的解释和分析，并讨论了位错速度和相关塑性如何指示辐射和阻力，解析了微观结构和体弹塑性行为之间的关系。通过可视化堆垛层错的延伸速度高于金刚石最慢的声波速度，展示了其前缘部分位错跨音速移动的证据。本工作解析的晶体中位错迁移率的上限对于准确建模、预测和控制极端条件下材料的机械性能至关重要。
技术方案：
1、通过X射线自由电子激光器实现了堆垛层错的可视化
作者使用X射线自由电子激光器在金刚石单晶上实现了原位X射线成相，通过测量线性特征和金刚石表面之间的角度偏移实现了堆垛层错的可视化。
2、证实了金刚石中跨音速位错传播
作者展示了获得的位错速度及不同密度下金刚石的声波速度，观察到的[100]和[110]激波方向的位错速度都位于跨音速区域。
3、观测到金刚石中的跨音速位错的辐射
作者发现紧邻塑性波前的弹性压缩体积存在多个声子辐射，发现沿不同方向、不同位错速度的激波的不同辐射量是由于速度对辐射能量耗散的强烈依赖性。
技术优势：
1、首次通过实验证实了超音速的位错运动
作者利用X射线照相技术对受冲击的单晶金刚石在塑性变形过程中的位错运动进行了跟踪，证实了单晶金刚石中的位错速度可以高于材料的体声速。
2、利用冲击压缩技术提供了研究高速位错的独特系统
通过测量位错的实验很难实现MD 模拟的快速驱动条件，作者利用冲击压缩技术高于107 s-1的应变率，冲击波前的能量不连续性会产生最初移动速度快于极限速度的位错，提供了研究高速位错提供了独特的系统。
技术细节
堆垛层错的可视化
本工作通过使用SPring-8 Angstrom 紧凑型自由电子激光器(SACLA)上的X射线自由电子激光器 (XFEL)进行的。通过化学气相沉积合成的IIa型金刚石单晶，通过切割方向使得冲击沿[100]和[110]方向传播。通过使用光子能量为7.0 keV、脉冲持续时间约为8 fs的非聚焦单脉冲 XFEL 光束沿垂直于冲击传播方向的轴照射金刚石，实现了原位X射线成相，在宽视场内提供了>106的动态范围和~1毫米的空间分辨率。作者使用傅立叶滤波图像上的霍夫变换测量了线性特征和金刚石表面之间的角度，角度偏移可能表明冲击引起的孪生或沿另一个晶面的滑移，作者将这些变形引起的能带解释为沿{111}平面形成的累积堆垛层错。
图 冲击金刚石的飞秒X射线成相
跨音速位错传播
由于堆垛层错的边缘是由部分位错定义的，因此作者观察到的堆垛层错延伸的前缘给出了实验中的位错速度。金刚石中形成的堆垛层错显示为不连续线，表明位错随塑性波前传播。在传播塑性激波前沿处新产生的位错数量比从金刚石表面传播的位错数量少得多。作者展示了获得的位错速度及不同密度下金刚石的声波速度，观察到的[100]和[110]激波方向的位错速度都位于跨音速区域，[110]冲击晶体中的位错速度比[100]晶体中的位错速度快。
图 堆垛层错的可视化
跨音速位错的辐射
通过观察紧邻塑性波前的弹性压缩体积，发现存在多个“弹性脉冲”，即位错理论中的辐射。作者观察到沿不同方向、不同位错速度的激波的不同辐射量是由于速度对辐射能量耗散的强烈依赖性。本工作使用强冲击波可以提供足够高的应力来克服辐射阻力，进而实现位错的稳定跨音速运动。
图 冲击金刚石中的跨音速位错运动
总之，作者通过原位X射线成相直接显示了金刚石中跨音速位错运动的实验证据，从而导致了跨越塑性变形体积的众多堆垛层错的形成。发出辐射的微观位错运动可能会影响宏观弹塑性变形动力学。该实验结果证实的跨音速位错运动为相关模型的改进提供了关键的证据，为深入了解极端条件下的超快变形行为提供了理论依据，这对结构材料的超快断裂、地震破裂的预测和分析、精确的制造工艺以及电化学应用中的功能等多个领域产生了积极影响。
参考文献：
KENTO KATAGIRI, et al. Transonic dislocation propagation in diamond. Science, 2023,382(6666):69-72.
DOI:10.1126/science.adh5563
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh5563
