Bild från Hopkins Extreme Materials Institute.
Med hjälp av en ny teknik och avancerade
datorsimuleringar avslöjade en forskargrupp att material kan bete sig på
oväntade sätt när de träffas i höga hastigheter.
"Vår studie visar att olika delar av ett och samma material och till och med olika sandkorn kan bete sig på mycket olika vis fast de
ingår i samma kollision med något", beskriver forskargruppens ledare Ryan
Hurley, docent i maskinteknik vid Johns Hopkins Universitys Whiting School of
Engineering och forskare vid Hopkins Extreme Materials Institute (HEMI).
"Det vi hittade har potential att ligga till grund för tillämpningar som
sträcker sig från asteroidavböjning till industriella processer som
tillverkning av surfplattor."
Teamet avfyrade projektiler från en gaskanon med
hastigheter upp till 2 km/s in i
granulara prover bestående av aluminium och soda lime-glas och observerade
provernas beteende under de första mikrosekunderna efter nedslaget. Även om
experiment som detta vanligtvis görs på plats vid HEMI på JHU:s campus i
Baltimore, ägde just detta rum vid Advanced Photon Source (APS) i Chicago
eftersom det krävde användning av en speciell röntgenanläggning för att
visualisera nedslaget.
"Om du går till stranden kan du bara se sanden
på ytan, men med röntgen kan du se vad som händer under sanden", beskriver
Sohanjit Ghosh, doktorand i maskinteknik och artikelns huvudförfattare. – Vi
kombinerade röntgenbilder med numeriska modeller som vi har utvecklat och det
gör den tvådimensionella röntgenbilden till en tredimensionell process som ger
oss en helhetsbild av vad som händer i tid och rum.
Forskarna fann förutom att kemiska reaktioner leder
värmen som skapas av intensiv kompression att kornen spricker, smälter och
stelnar igen.
"Det är intressant att se hur korn interagerar
olika med varandra vid olika anslagshastigheter", beskriver Ghosh.
"Vi fann att när man går till högre och högre hastigheter överförs så
mycket termisk energi att kornen faktiskt smälter men sedan återbildas."
Teamet observerade att olika metalliska material
uppvisar olika sätt att avleda energi vid kollision i hög hastighet. Material
som aluminium absorberar energi genom att bilda defekter och plasticitet medan
spröda material som soda lime-glas avleder energi genom att spricka och
fragmentera.
Forskarna säger att dessa resultat kan ligga till grund för framtida uppdrag som liknar 2022 års DART-uppdrag,där en sond slog ner i en asteroid och ändrade dess bana.
"Alla asteroider har ett lager av sand, som
kallas regolit (en region av småsten,
sand och damm som finns ovanpå berggrunden) som yta och när något kolliderar med ytan är
det regoliten som skingrar av anslagsenergin", beskriver Ghosh.
"Från kombinationen av sådana modelleringar och experiment kan vi dra
slutsatser om hur olika material i olika miljöer och påverkansförhållanden
kommer att bete sig."
"Tidsramarna för experimenten var mycket korta några
hundra nanosekunder", beskriver Ghosh. – Vi förbereder ett helt experiment
i en månad och sedan är det över på några mikrosekunder.
Mohmad Thakur, biträdande forskare vid HEMI, var
också medlem i forskargruppen vars arbete beskrivs i Journal of the Mechanics
and Physics of Solids.
