- 銅在極端熱量下的熔化過程是逐漸進行的，挑戰早期模型預測。
- 研究團隊使用MeV-UED儀器跟蹤原子運動，精確到皮秒。
- 實時影像顯示銅在超加熱極限上仍保持晶格有序性，穩定熔化。
- 這些發現將支持未來聚變電廠的發展，提升材料的預測能力。
科學家發現，銅在極端熱量下的熔化過程是逐漸進行的，而非瞬間崩潰。這一發現挑戰了早期計算機模型對核聚變反應堆材料如何應對極端熱負荷的預測。該研究發表於《自然通訊》期刊，由美國能源部的 SLAC 國家加速器實驗室的研究人員主導，並與數個歐洲大學的團隊合作完成。標準材料測試通常採用“加熱觀察”的方法。研究人員以極端熱量攻擊樣本，然後在其冷卻後檢查熔化的殘留物。然而，這種方法僅留下金屬水坑，無法觀察到加熱過程中逐步發生的物理變化。
為瞭解決這一問題，研究團隊使用了 SLAC 的 MeV-UED 儀器。這種電子相機可以跟蹤原子運動，精確到皮秒（femtosecond），即十的負十五次方秒。
銅的熔化行為與預測不符
研究人員用激光加熱薄銅膜以觸發迅速的温度升高。“他們用激光熱量攻擊薄銅膜，然後發送電子束來成像正在加熱的樣本，”SLAC 的新聞稿中提到。“他們所看到的令人驚訝。”在超加熱極限上違背預測的結果過去的計算機模型預測，在快速加熱過程中銅會有非常不同的結果。根據這些模擬，樣本在約 1,085°C（1,985°F）時會開始在表面熔化。“隨著温度升高，樣本的側面和邊緣會繼續熔化，而受較高壓力影響的中央區域則會較長時間保留其晶格結構，”新聞稿解釋道。
這些模擬顯示，一旦核心達到約 1,424°C（2595.2°F）——大約是正常熔點的 1.25 倍，剩餘的晶體結構將突然崩潰成液體。此點被稱為銅的超加熱極限。
然而，實時影像顯示銅在超加熱極限之上仍然保持晶格的有序性，並穩定地熔化。實驗還檢測到預熔化現象，即原子無序在納米尺度的晶粒邊界上形成，這一過程發生在金屬達到其標準熔點之前。團隊發現，為何早期的計算機模擬未能與實驗結果相符。計算機模型通常使用假設來管理複雜的原子計算。“在這種情況下，現有的模擬假設熔化的銅會面對靜態條件，四周均勻的壓力使原子固定在原地，”研究人員指出。
動態條件下的模擬改進
為核聚變能源應用精煉模擬實際上，實驗涉及動態壓力條件。這些動態條件使銅原子得以放鬆和移動，從而幫助材料在超加熱極限上保持結構有序。當科學家將這些動態條件納入計算機計算時，模擬結果與實驗數據相符。“這是對建模能力及其預測能力的一次重大提升，”高能密度科學部門主任 Siegfried Glenzer 表示。“我們能夠觀察這些現象的精確度和解析度，展示了這一技術在揭示這些超快、超小動態方面的卓越性。
”這些發現將直接支持未來聚變電廠的發展。聚變反應堆旨在重現恆星的能量過程。雖然核心等離子體的温度達到數億度，但圍繞反應腔的組件必須承受類似於航天器進入地球大氣層時的突發極端熱量。
工程師使用計算機模型和人工智能來篩選適合這些惡劣環境的材料。“對銅行為的更深理解，將促使他們研究銅合金的更複雜動態及其在聚變系統中吸收熱量的潛力，”新聞稿最後提到。由 SLAC 主導的團隊現在計劃在平衡壓力條件下測試銅，並將使用他們的電子成像方法來研究更複雜的銅合金。
銅在核融合應用中的重要性
這項研究揭示了銅在極端熱環境下的行為，挑戰了以往的計算機模型預測，顯示出銅在高溫下的熔化過程更為複雜。這對於核融合能源的發展至關重要，因為聚變反應堆需要材料能夠承受極端的熱負荷。透過改進模擬技術，科學家能更準確地預測材料行為，這將有助於設計更高效的聚變反應堆，進一步推動可持續能源的實現。