Медта не се превръща в течност при очакваната граница на топене от около 1424°C. При ултрабързо нагряване тя се разтопява постепенно, като динамичните условия на налягане изглежда позволяват на атомите да се отпуснат и да запазят известен ред отвъд по-ранните симулационни прогнози. Това откритие има важно значение за изграждането на термоятрените реактори.
Бъдещите термоядрени електроцентрали имат за цел да пресъздадат ядрото на звезда тук, на Земята, за да задоволят бъдещите ни енергийни нужди. Докато плазмата от ядрото на термоядрения синтез ще гори при стотици милиони градуса, околните структурни компоненти трябва да се справят с внезапни, тежки топлинни натоварвания, които съперничат на екстремните температури, пред които са изправени космическите кораби при завръщане в земната атмосфера. Медта и нейните сплави са основните кандидати за справяне с тези интензивни топлинни колебания, което прави жизненоважно да се разбере точно как се държи металът, когато е достигне точката си на топене.
Сега, изследователи от Националната ускорителна лаборатория SLAC към Министерството на енергетиката са направили подробен, стъпка по стъпка преглед върху медните атоми, докато са били подложени на екстремно нагряване. Публикувани в Nature Communications, резултатите разкриват ключов параметър, който позволява на кристалната решетка на медта да се топи постепенно, а не да се срива мигновено, както са предвиждали по-ранни симулации.
"Тези резултати значително подобряват симулациите, които използваме, за да предвидим кои материали имат най-добри шансове да оцелеят в екстремните условия на бъдещите камери за термоядрени реакции", обяснява Миенджън Мо (Mianzhen Mo), учен от SLAC, ръководител на изследването. "Те също така демонстрират невероятната резолюция на изображенията в атомен мащаб, която можем да постигнем с електронната камера на SLAC."
Отвъд точките на топене
В търсенето на устойчиви материали, познаването на температурата, при която даден материал се топи, не е достатъчно. Материалите в бъдещите камери за термоядрен синтез ще претърпят преходно термично нагряване - бързо изгаряне, което натоварва атомните връзки до краен предел, ускорява енергийния поток през подлежащите кристални структури и кара иначе добре познатите материали да се държат по необичаен начин.
Изследователите използват компютърни симулации, подпомогнати от изкуствен интелект и машинно обучение, за да пресяват безброй комбинации от елементи и да идентифицират обещаващи кандидат-материали за тестове в реални условия. През последните години групата на Мо изследва свойствата на волфрама, след като той бе определен като потенциален материал за термоядрени камери. Водещи модели предполагат, че медните сплави биха могли да служат като "топлопоглъщатели" - материали, които охлаждат термоядрените системи, като абсорбират топлина от материали, разположени по-близо до реакциите на синтез.
Екипът на Мо решава да разгледа тази идея, започвайки с проба от чиста мед.
На електронната камера на SLAC, изследователите са записали времеви отпечатъци на твърди медни атоми (оранжево), докато те са се топили (жълто), след като са били облъчени с лазерна топлина. Тази графика показва как медните атоми са се променяли за период от няколко фемтосекунди (милионни части от милиардната част от секундата), отбелязани тук като части от пикосекунда. Вместо прогнозирания колапс, изследователите са наблюдавали постепенно топене. Кредит: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Визуализиране на топенето на мед в реално време
За да тестват устойчивостта на материалите, подходящи за термоядрени камери, изследователите често първо обработват пробата с екстремна температура, а след това изследват напълно изпечените следи. Независимо дали медта се топи бавно или внезапно се разпада, докато изследователите погледнат, пробата не прилича на нищо повече от метална кафява локва.
"Имахме нужда от подробен, поетапен поглед върху процеса на топене", разказва Мо.
Екипът занася пробата си в MeV-UED, мощната електронна камера на SLAC, която улавя атомните и молекулярните движения до фемтосекунда - една милионна от милиардната част от секундата. Те обработват тънък меден филм с лазерна топлина, след което изпращат електронен лъч, за да заснемат пробата, докато се нагрява. Това, което виждат, ги изненадва.
Симулациите предвиждат, че по време на ултрабързо нагряване, медната проба ще започне да се топи по повърхностите си при около 1085°C. Страните и ръбовете ще продължат да се топят с повишаване на температурата, докато централната област на пробата, която е подложена на по-високо налягане, ще запази кристалната си решетка за по-дълго време. Въпреки това, при достигане на около 1424°C, приблизително 1,25 пъти температурата на топене и границата на прегряване на медта, се очаква останалата кристална решетка мигновено да се разпадне в напълно неподредена течност.
Вместо прогнозирания колапс, изследователите наблюдават постепенно топене, дори когато температурата се повишала над границата на прегряване. Медта успява да избегне съдбата си. Сега екипът смята, че знае защо.
Тестване на допускания
Когато изследователите създават компютърни симулации, предсказващи атомно и молекулярно поведение, те се сблъскват с огромна сложност. Тъй като улавянето на всяка променлива е изчислително скъпо и някои явления остават слабо разбрани, те трябва да правят информирани предположения. Въпреки че тези предположения могат да ускорят решаването на проблеми, понякога приближението може да доведе до неточна прогноза.
В този случай, съществуващите симулации предполагат, че топящата се мед ще се сблъска със статични условия, с равномерно налягане от всички страни, което ще държи атомите фиксирани на място. Но реалните експериментални условия на налягане са далеч по-динамични, позволявайки на атомите да се отпуснат, да се изместят и да запазят известен ред, дори отвъд границата на прегряване. Чрез интегрирането на тези допълнителни параметри в компютърните симулации, екипът успява да възпроизведе експерименталното поведение на медните атоми.
"Това е лесно решение, но симулациите на молекулярната динамика го пренебрегваха в продължение на години", обяснява Мо. "Когато има сложни симулации, опитващи се да уловят всеки аспект на реалността, чак до отделните атоми, са необходими данни от реалния свят, за да покажат какво липсва в изчисленията."
"Това е значително подобрение в възможностите за моделиране и тяхната предсказваща сила в бъдеще", коментира Зигфрид Гленцер (Siegfried Glenzer), директор на отдела за изучаване на високата енергийна плътност, професор по фотонна наука в SLAC и старши автор на статията. "Прецизността и разделителната способност, с които сме в състояние да видим тези неща, показват колко забележителна е тази техника при разкриването на тези ултрабързи, ултрамалки динамики."
Експериментът също така разкри, че при сценарии на ултрабързо нагряване медта показва признаци на феномен, наречен предварително топене, при който възниква разстройство по повърхностите на наноразмерни зърна и границите между тях, преди системата да достигне стандартната си точка на топене.
След това екипът се надява да проучи дали налагането на хидростатични условия - при които вътрешното и външното налягане върху медта са в равновесие - би довело до колапс на медта при границата на прегряване, както са предвидили симулациите. С по-добро разбиране на поведението на медта, те планират да изучат по-сложната динамика на медните сплави и техния потенциал за абсорбиране на топлина в термоядрени системи.
Справка: M. Z. Mo et al, Probing the atomic dynamics of ultrafast melting with femtosecond electron diffraction, Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-75970-1
Източник: Copper's surprising melting behavior provides insights into future fusion design, Erin Woodward, SLAC National Accelerator Laboratory
Още по темата
Физика
Икономическите ползи от термоядрената енергия са силно преувеличени според научно изследване
Физика
Пробив в термоядрения синтез - надхвърлена е границата на плътност на плазмата
Физика
Ето как за пръв път бе постигнато "запалване" на ядрен синтез
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
dolivo
Ще спре ли смъртта на момиче китайския възход в генното редактиране
dolivo
Колко бързо става квантовото вплитане? Учени го изследват в атосекунден мащаб
Bai Tanas
Защо бамята е толкова слузеста?
БотоксПутю
В скална формация на Марс е открит органичен въглерод