線缺陷（位錯）的運(yùn)動已經(jīng)研究了60多年，但它們的最大運(yùn)動速度仍是未解之謎。盡管并不否認(rèn)存在跨音速位錯的可能性，研究者最近的模型和原子模擬預(yù)測了在跨音速和亞音速范圍之間存在一個位錯運(yùn)動的極限速度，此時位錯能夠自能發(fā)散。
在此，日本大阪大學(xué)Kento Katagiri教授等人使用飛秒x射線射線技術(shù)來跟蹤沖擊壓縮單晶金剛石中的超快位錯運(yùn)動，可視化了堆垛層錯比金剛石中最慢的聲波速更快的事實(shí)，展示了其前緣橫向移動的部分位錯的證據(jù)。因此，了解晶體中位錯遷移率的上限對于精確地建模、預(yù)測和控制在極端條件下材料的力學(xué)性能至關(guān)重要！
相關(guān)研究成果以“Transonic dislocation propagation in diamond”為題發(fā)表在Science上。
由外應(yīng)力引起的材料內(nèi)部位錯運(yùn)動與材料的機(jī)械性能及其變形動力學(xué)有關(guān)。?當(dāng)延展性材料受到應(yīng)力時，材料內(nèi)部的位錯會移動以局部容納該力，從而產(chǎn)生塑性。
金屬常見的延展性在金剛石等脆性材料中通常不存在，但即使是脆性材料在某些類型的極端條件下也會表現(xiàn)出延展性，例如沖擊引起的高應(yīng)變率變形。盡管位錯介導(dǎo)的塑性的基本機(jī)制有時與材料中的應(yīng)變速率不變，但許多研究已經(jīng)觀察到顯示出高速率敏感性的情況。
在最高應(yīng)變率下，位錯在變形過程中以接近材料聲速的速度移動。位錯理論預(yù)測，當(dāng)位錯接近給定晶體中的極限（或臨界）速度時，位錯的自能和應(yīng)力會發(fā)散，這意味著位錯被禁止以這些極限速度行進(jìn)。
各向同性晶體中的極限位錯速度與縱向和橫向聲速一致，而各向異性單晶（如金剛石）則有一個縱向（c1）和兩個橫向 （c1≧?c3），其數(shù)量級相同，但并不總是與極限速度一致。
迄今為止，跨音速或超音速真實(shí)晶體中的位錯運(yùn)動尚未在實(shí)驗(yàn)中觀察到。唯一報(bào)道的位錯移動速度快于最慢極限速度的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。相比之下，許多理論和分子動力學(xué)（MD）模擬研究已經(jīng)預(yù)測了跨音速甚至超音速位錯運(yùn)動的存在，表明極限速度不應(yīng)該是位錯運(yùn)動的上限。
Gumbsch和Gao使用原子模擬來觀察鎢中的超快位錯運(yùn)動。他們的模擬表明，跨音速和超音速的位錯穩(wěn)定運(yùn)動都是可能的，但僅限于超過極限速度產(chǎn)生的位錯，從而避免了在無限能量極限速度上加速的需要。
雖然對于MD模擬來說，以如此高速的速度產(chǎn)生位錯相對簡單，但測量位錯的實(shí)驗(yàn)還無法獲得那些快速驅(qū)動的條件。利用大于107 s-1應(yīng)變率，激波壓縮技術(shù)為研究高速位錯提供了一個獨(dú)特的系統(tǒng)，激波波前的能量不連續(xù)會產(chǎn)生位錯，最初移動速度比極限位錯快。
作者展示了使用飛秒X射線照相術(shù)在單晶金剛石中跨離子移動的沖擊誘導(dǎo)位錯運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，討論了對相關(guān)圖像特征的解釋和分配，并說明了位錯速度和相關(guān)塑性如何指示輻射和阻力，這意味著微觀結(jié)構(gòu)和體彈塑性行為之間的關(guān)系。
了解最快位錯運(yùn)動的速度是準(zhǔn)確預(yù)測和控制變形固體的位錯動力學(xué)和塑性所必需的，這可以通過離散位錯動力學(xué)。?這種超快的位錯運(yùn)動強(qiáng)烈地影響著材料的機(jī)械響應(yīng)，而這些反應(yīng)在眾多應(yīng)用中是必不可少的。
同時，使用強(qiáng)烈的納秒級可見光激光將~100GPa沖擊驅(qū)動到單晶金剛石樣品中，使可見激光和X射線（XFEL）同步，使得沖擊在XFEL爆發(fā)前幾到幾十納秒發(fā)生。射線照相測量顯示，沿著樣品塑性變形區(qū)域內(nèi)的特定晶體平面，堆垛斷層（一種平面缺陷）上有大量光子散射。
這種增強(qiáng)的散射使他們能夠“看到”晶體內(nèi)的這些平面缺陷。一旦啟動，這些缺陷就會傳播，組合多個圖像幀使他們能夠測量位錯運(yùn)動。推斷的速度達(dá)到了聲速，從而為跨音速位錯傳播提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
綜上所述，作者使用世界上最亮的X射線激光器之一的原位X射線照相顯示了金剛石中跨音速位錯運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，導(dǎo)致形成跨越塑性變形體積的許多堆垛層錯。發(fā)射輻射的微觀位錯運(yùn)動可能會影響宏觀彈塑性變形動力學(xué)。
同時，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示了跨音速位錯運(yùn)動，為完善模型以深入了解這些極端條件下的超快變形行為提供了關(guān)鍵的新機(jī)會。在最高應(yīng)變率下新改進(jìn)的模型將對許多領(lǐng)域產(chǎn)生顯著的影響，包括結(jié)構(gòu)材料的超快斷裂，地震破裂的預(yù)測和分析，精確的制造工藝和電化學(xué)應(yīng)用中的功能。
Kento Katagiri*, Tatiana Pikuz, Lichao Fang, Bruno Albertazzi, Shunsuke Egashira, Yuichi
Inubushi, Genki Kamimura, Ryosuke Kodama, Michel Koenig, Bernard Kozioziemski,
Gooru Masaoka, Kohei Miyanishi, Hirotaka Nakamura1 , Masato Ota, Gabriel Rigon?, Youichi
Sakawa, Takayoshi Sano, Frank Schoofs, Zoe J. Smith, Keiichi Sueda,
Tadashi Togashi, Tommaso Vinci, Yifan Wang, Makina Yabashi, Toshinori Yabuuchi, Leora E.
Dresselhaus-Marais, Norimasa Ozaki, Transonic dislocation propagation in
diamond,?Science,?2023, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh5563
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