Un revolucionario microscopio de rayos X de última generación ha sido capaz de observar directamente ondas sonoras en la escala más pequeña: el nivel de entramado atómico dentro de un cristal.

Estos hallazgos, publicados en Proceedings of the National Academy of Sciences, podrían cambiar la forma en que los científicos estudian los cambios ultrarrápidos en los materiales y las propiedades resultantes.

«La estructura atómica de los materiales cristalinos da lugar a sus propiedades y al ‘caso de uso’ asociado para una aplicación», dijo en un comunicado una de las investigadoras de este avance, Leora Dresselhaus-Marais, profesora asistente en Stanford y SLAC (Stanford Linear Accelerator Center).

«Los defectos cristalinos y los desplazamientos a escala atómica describen por qué algunos materiales se fortalecen mientras que otros se rompen en respuesta a la misma fuerza. Los herreros y la fabricación de semiconductores han perfeccionado nuestra capacidad para controlar algunos tipos de defectos; sin embargo, hoy en día pocas técnicas pueden obtener imágenes de esta dinámica en tiempo real en las escalas adecuadas para resolver cómo se conectan esas distorsiones con las propiedades generales».

En este nuevo trabajo, el equipo generó ondas sonoras en un cristal de diamante y luego utilizó el nuevo microscopio de rayos X que desarrollaron para obtener imágenes directamente de las sutiles distorsiones dentro de la red cristalina. Lo hicieron en las escalas de tiempo en las que estas vibraciones a escala atómica ocurren naturalmente aprovechando los pulsos ultrarrápidos y ultrabrillantes disponibles en la Fuente de Luz Coherente Linac (LCLS) de SLAC.

Los investigadores colocaron una lente de rayos X especial a lo largo del haz difractado por la red cristalina para filtrar la porción «perfectamente empaquetada» del cristal y concentrarse en las distorsiones en la estructura del cristal causadas por la onda sonora y los defectos.

«Usamos esto para visualizar cómo un láser ultrarrápido transfiere su energía luminosa en calor a través de reflejos sucesivos de la onda sonora fuera de equilibrio en la superficie frontal y posterior del cristal». dijo Dresselhaus-Marais. «Al mostrar esto en diamante, un cristal con la velocidad de sonido más rápida, ilustramos las nuevas oportunidades disponibles ahora con nuestro microscopio para estudiar nuevos fenómenos en el interior de los cristales».

Los resultados identifican una forma de ver cambios súper rápidos en los materiales sin dañarlos. Antes de este descubrimiento, las herramientas que utilizaban los investigadores eran demasiado lentas para ver estos cambios. Esto es importante porque muchas cosas, como cómo se mueve el calor o cómo se propagan las ondas sonoras, dependen de estos cambios rápidos.

Las implicaciones de este avance se extienden a varias disciplinas, desde la ciencia de los materiales hasta la física, e incluso se extienden a campos como la geología y la manufactura. Al comprender los cambios a nivel atómico que conducen a eventos observables más grandes en los materiales, los científicos pueden obtener una imagen más clara de las transformaciones, los procesos de fusión y las reacciones químicas en los materiales, accediendo a 13 nuevos órdenes de magnitud de escalas de tiempo.

«Esta nueva herramienta nos ofrece una oportunidad única para estudiar cómo eventos raros causados por defectos, distorsiones atómicas u otros estímulos localizados dentro de una red dan lugar a cambios macroscópicos en los materiales», dijo Dresselhaus-Marais. «Si bien nuestra comprensión de los cambios macroscópicos en los materiales es bastante avanzada, a menudo nos perdemos los detalles de qué ‘eventos instigadores’ causan en última instancia las transformaciones de fase, la fusión o la química que observamos a escalas mayores. Ahora que tenemos escalas de tiempo ultracortas a nuestro alcance, tenemos la capacidad de buscar estos eventos raros en sus escalas de tiempo nativas».

Fuente: europapress.es