Teoria potwierdzona badaniami

Dwuwymiarowy dyfraktogram rentgenowski krystalicznej warstwy Pd (a) oraz dyfraktogram warstwy całkowicie stopionej impulsem optycznym (b).

Dwuwymiarowy dyfraktogram rentgenowski krystalicznej warstwy Pd (a) oraz dyfraktogram warstwy całkowicie stopionej impulsem optycznym (b).

Mogłoby się wydawać, że skoro topnienie materiałów krystalicznych jest jedną z najpowszechniej zachodzących przemian fazowych, polegających na przejściu ze stanu stałego w ciekły, to wiemy o tym zjawisku wszystko. Jednak tak nie jest. Naukowcy z PW pracują właśnie nad dogłębnym zbadaniem mechanizmów przemian pomiędzy fazą krystaliczną a ciekłą.

Brak ostatecznych dowodów doświadczalnych na występowanie przewidzianych teoretycznie zjawisk, takich jak inicjowane na defektach topnienie heterogeniczne oraz zachodzące homogenicznie w objętości kryształu zarodkowanie cieczy i parametry kinetyki (m.in. prędkość propagacji frontu topnienia przegrzanego kryształu) znane głównie z symulacji komputerowych – przed takimi wyzwaniami stanął zespół badawczy z PW pod kierownictwem dra hab. inż. Jerzego Antonowicza, prof. uczelni.

Celem projektu, który realizowany jest w ramach konkursu na granty badawcze Technologie Materiałowe-1, było przeprowadzenie badań nad indukowanym optycznie topnieniem palladu przy wykorzystaniu metody ultra-szybkiej, czasowo-rozdzielczej dyfrakcji rentgenowskiej z użyciem impulsów promieniowania emitowanego przez rentgenowski laser na swobodnych elektronach (X-ray free-electron laser - XFEL).

Przebieg prac

Pomiary zostały przeprowadzone w trakcie eksperymentu w European X-Ray Free-Electron Laser Facility  (European XFEL)  będącym elementem szeroko zakrojonej, trwającej od kilku lat współpracy badawczej prof. Antonowicza z grupami naukowców m.in. z Polski, Niemiec, Japonii i USA.

Schemat układu do pomiarów dyfrakcyjnych metodą "pump - probe".

Schemat układu do pomiarów dyfrakcyjnych metodą "pump - probe".

– XFEL emituje niezwykle krótkie, jasne i wysokoenergetyczne impulsy promieni X, które mogą być wykorzystane do pomiarów metodą pump-probe, która pozwala na badanie przemian fazowych zachodzących w niedostępnej dla konwencjonalnych metod pomiarowych skali czasowej sięgającej pikosekund – mówi prof. Jerzy Antonowicz. – W trakcie przeprowadzonych pomiarów w European XFEL cienka warstwa metalu była wzbudzana femtosekundowym impulsem optycznym, który powodował jej lokalne stopienie. Przybywający z opóźnieniem próbkujący impuls rentgenowski ulegał dyfrakcji na strukturze naświetlonego obszaru warstwy, a rozkład przestrzenny promieniowania rozproszonego rejestrowany był w postaci dwuwymiarowego dyfraktogramu – dodaje.

Pierwsze wnioski

Wstępna interpretacja wyników badań wykazała w dużej mierze zgodność z przewidywaniami teoretycznymi.

Widok fragmentu próbki. Białe kropki w środku jasnych kwadratów to otwory powstałe na skutek oddziaływania warstwy z impulsem rentgenowskim.

Widok fragmentu próbki. Białe kropki w środku jasnych kwadratów to otwory powstałe na skutek oddziaływania warstwy z impulsem rentgenowskim.

– Na podstawie ilościowej analizy danych dyfrakcyjnych określiliśmy m.in. względną zawartość faz krystalicznej i ciekłej oraz rozmiar ziaren krystalicznych na różnych etapach procesu topnienia – mówi prof. Antonowicz. – Ustaliliśmy, że proces topnienia zachodzi w trakcie około 10 ps po zaabsorbowaniu femtosekundowego impulsu optycznego. Analiza zmian średniego rozmiaru ziarna krystalicznego wykazała, że topnienie rozpoczyna się w nieuporządkowanych strukturalnie obszarach granic ziaren, a szybkość propagacji frontu topnienia sięga wartości rzędu 1000 m/s – dodaje.

Wyznaczone na podstawie analizy ilościowej dyfraktogramów rentgenowskich: zależna od energii impulsu laserowego zawartość fazy krystalicznej po 10 ps od naświetlenia (a), zmiana zawartości fazy krystalicznej podczas częściowego topnienia impulsem o energii 12 µJ (b) oraz towarzysząca jej ewolucja średnego rozmiaru ziarna krystaliczengo (b). Pionowe linia na rysunku (a) odpowiada energii, dla której wykreślono zależności na rysunkach (b) i (c), a pionowe linie na rysunkach (b) i (c) oznaczają opóźnienie impulsu rentgenowskiego, któremu odpowiada rysunek (a).

Wyznaczone na podstawie analizy ilościowej dyfraktogramów rentgenowskich: zależna od energii impulsu laserowego zawartość fazy krystalicznej po 10 ps od naświetlenia (a), zmiana zawartości fazy krystalicznej podczas częściowego topnienia impulsem o energii 12 µJ (b) oraz towarzysząca jej ewolucja średnego rozmiaru ziarna krystaliczengo (b). Pionowe linia na rysunku (a) odpowiada energii, dla której wykreślono zależności na rysunkach (b) i (c), a pionowe linie na rysunkach (b) i (c) oznaczają opóźnienie impulsu rentgenowskiego, któremu odpowiada rysunek (a).

Plany na przyszłość

– W najbliższej przyszłości chcemy przeprowadzić wielkoskalowe symulacje komputerowe metodą dynamiki molekularnej, by później ich wyniki skonfrontować z rezultatami eksperymentalnymi – mówi prof. Antonowicz. – Planujemy także rozszerzyć nasze badania o układy inne niż czyste metale oraz o zakresy czasu sięgające nanosekund i obejmujące przechłodzenie oraz krystalizację cieczy, a także przejście cieczy przechłodzonej w stan stały z pominięciem krystalizacji, czyli proces powstania szkła.

 

Skład zespołu badawczego:

Zespół badawczy zaangażowany w niniejszy projekt to, oprócz wnioskodawców z PW (dr hab. inż. Jerzy Antonowicz, profesor uczelni; mgr inż. Adam Olczak), grupa w sumie kilkudziesięciu osób zarówno z Polski (grupa prof. Ryszarda Sobierajskiego z IF PAN), jak i z ośrodków naukowych w Niemczech, USA, Wielkiej Brytanii, Holandii, Rosji i Czechach.

Artykuł został opracowany na podstawie materiałów przesłanych przez dra hab. inż. Jerzego Antonowicza, prof. uczelni.