For at kunne forudsige, hvordan materialer opfører sig, skal man først kende deres egenskaber. Når man vil manipulere eller designe nye materialer, så de kan tjene et specifikt, teknologisk formål - i eksempelvis elektroniske eller fotoniske kredsløb - skal man forstå materialernes strukturelle dynamik særdeles godt.
Faste materialer som metaller, keramik, sten og knogler er notorisk vanskelige at modellere. De kaldes krystallinske, og består af forskellige korn, områder og defekter. Derfor er der mange modsatrettede kræfter på spil, som påvirker materialet på flere niveauer. For at kunne modellere sådanne materialer har forskere brugt højt specialiserede røntgenstråler og er nået så langt som til at karakterisere materialer med en opløsning på helt ned til 100 nanometer – dvs. mere end 500 gange mindre end et menneskehår.
En høj opløsning billederne er imidlertid ikke tilstrækkeligt for at afdække, hvad der foregår. Der er også den kendsgerning, at det, der sker i disse materialer, sker over tid. Forskere har været i stand til i detaljer at følge, hvad der sker, i tidsperioder ned til millisekunder – dvs. tusinddele af sekunder. Men inde i krystaller sker nogle ting over endnu kortere tid end det, f.eks. når de ændrer form eller overfører varme. Disse ting er relateret til, hvordan atomerne i krystallerne er arrangeret og bevæger sig, og sker ofte i løbet af mikrosekunder (milliontedel sekund) – nogle gange endda i løbet af nano- eller picosekunder (henholdsvis en milliardtedel eller billiontedel af et sekund).
Med lydens hastighed
Et andet sådant fænomen er lydbølger, der når de bevæger sig gennem materialet er der i meget mindre end et millisekund. En nylig artikel i tidsskriftet PNAS, Real-time imaging of acoustic waves in bulk materials with X-ray microscopy, omhandler danske og amerikanske forskeres succes med at opfange netop det: Lydbølger, der bevæger sig gennem et krysallinsk materiale. I dette tilfælde et diamantkrystal på 1 mm.
”Vi vil gerne kunne se disse forandringer i 3D, men indtil nu har det ikke kunnet gøres hurtigt nok eller uden at beskadige krystallerne. Vores nye teknologi kan gøre det hurtigere og ikke-invasivt, og det vil fungere for mange krystaller,” forklarer medforfatter professor Henning Friis Poulsen fra DTU Fysik. Han tilføjer:
”For at kunne lave billeddannelse med lydens hastighed var det nødvendigt at bygge et helt nyt mikroskop for enden af en 3 km lang ’røntgenfri elektronlaser’ (X-Ray Free Electron Laser, XFEL). Det er på ingen måde sikkert, at det lykkes, når du retter en 3 km lang røntgenkilde gennem flere linser og mod en 1 mm stor prøve, og håber på at se en lydbølge, der kun eksisterer i en milliontedel af et sekund. Vores hårtynde røntgen- og optiske laserstråler skulle mødes på en millimeterstor diamantprøve med en tidsmæssig præcision på under et nanosekund, før de første data kunne indhentes. Men vi gjorde det, og jeg tror, at disse resultater vil inspirere til en lang række nye forskningsprojekter.”
Tre film af lydbølger
Medforfatter Theodor S. Holstad forklarer således, at deres tilgang gælder for alle typer krystallinske materialer: F.eks. når man vil forstå processer i metamaterialer (kunstigt fremstillede materialer med særlige egenskaber), fotoniske krystaller, termoelektriske materialer eller endda i blødere materialer som perylen og hybride perovskiter, som begge er vigtige materialer ift. bl.a. udvikling af nye solceller.
”Med dette setup kan vi undersøge en lang række ultrahurtige strukturelle fænomener, der hidtil har været uden for videnskabens rækkevidde. Visualisering af strukturelle processer på en tidsskala på mindre end et mikrosekund er relevant inden for faststoffysik og materialevidenskab. Endelig kan det være nyttigt inden for geovidenskaben at teste seismologiske modeller af, hvordan lyd bevæger sig i planetariske materialer.”
Snapshots af lydbølgerne blev taget med så korte tidsintervaller som nogle få picosekunder og er siden blevet redigeret til små film:
