Deslocamentos mais rápidos que o som em materiais
Após quase meio século de debates, pesquisadores conseguiram solucionar uma questão de longa data sobre a velocidade com que pequenos defeitos lineares, conhecidos como deslocações, podem se propagar através de materiais. Essas deslocações desempenham um papel vital ao conferir aos metais sua resistência e maleabilidade, mas também podem levar a falhas catastróficas de materiais, como a experiência familiar de abrir uma lata de refrigerante.
Cientistas descobriram que essas deslocações podem se mover através dos materiais a velocidades superiores às das ondas sonoras, encerrando um debate de décadas. Essa revelação tem implicações significativas para entender o potencial de danos que essas deslocações podem causar em condições extremas, como a ruptura de rochas durante terremotos ou materiais de aeronaves submetidos a estresse extremo.
Tradicionalmente, havia incerteza sobre se as deslocações poderiam ultrapassar a velocidade das ondas sonoras, e alguns estudos sugeriam que não podiam. No entanto, modelos computacionais apontavam para a possibilidade de que poderiam atingir essa façanha se fossem inicialmente acelerados para velocidades superiores à do som. Alcançar essa aceleração exigiria um choque intenso, pois o som se propaga muito mais rápido através de materiais sólidos do que através do ar ou da água. Por exemplo, o som pode se mover a 40.000 milhas por hora no diamante, que é excepcionalmente duro.
Além disso, os sólidos suportam tanto ondas sonoras longitudinais quanto transversais, sendo estas últimas mais lentas. Determinar se deslocações ultra-rápidas podem superar essas barreiras de som é fundamental tanto para a compreensão científica fundamental quanto para as aplicações práticas. Compreender como essas deslocações ultra-rápidas se comportam é crucial porque elas podem levar a falhas de materiais inesperadas que foram apenas modeladas, mas não medidas diretamente.
O estudo, liderado por Leora Dresselhaus-Marais do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia dos Estados Unidos e pelo Professor Norimasa Ozaki da Universidade de Osaka, utilizou radiografia de raios-X para medir a velocidade das deslocações à medida que se propagavam através de cristais de diamante. Os resultados de sua pesquisa foram publicados na revista Science.
Para obter essas medições, os pesquisadores conduziram experimentos no laser de elétrons livres de raios-X SACLA no Japão, utilizando pequenos cristais de diamante sintético. O diamante foi escolhido como material de estudo porque seu mecanismo de deformação é mais simples do que o dos metais, tornando-o mais adequado para experimentos de imagem ultra-rápida de raios-X.
Quando ondas de choque foram geradas dentro dos cristais de diamante usando luz laser intensa, os pesquisadores capturaram imagens ultra-rápidas de raios-X das deslocações se formando e se propagando. Essas imagens revelaram que as deslocações se moviam através do diamante mais rápido do que o tipo mais lento de ondas sonoras conhecidas como ondas transversais, um fenômeno nunca antes visto em qualquer material.
Os pesquisadores agora planejam retornar às instalações de elétrons livres de raios-X para investigar se as deslocações podem superar a velocidade mais alta das ondas sonoras longitudinais no diamante, o que exigirá choques a laser ainda mais poderosos. Se bem-sucedidos, esse feito classificaria essas deslocações como verdadeiramente supersônicas.
Este estudo resolveu um debate de décadas, demonstrando que as deslocações podem se propagar através de materiais a velocidades superiores às das ondas sonoras, lançando luz sobre seu potencial para causar falhas de materiais catastróficas em condições extremas. A pesquisa foi um esforço colaborativo envolvendo cientistas de várias instituições, incluindo a Universidade de Osaka, o Instituto Japonês de Pesquisa em Radiação de Síncrotron, o Centro RIKEN SPring-8 e outros. [Phys]
