铜熔化实验揭示聚变材料新特性

SLAC国家加速器实验室宣布，研究人员已开展实验，测试铜在极端条件下的熔化方式，例如铜在聚变装置中可能面临的环境。研究结果发表在《自然·通讯》上，发现铜薄膜比模型预测的更能抵抗熔化，揭示了此前计算中缺失的分子动力学。

“这些结果极大地改进了我们用于预测哪些材料最有可能在未来的聚变反应室极端条件下存活的模拟，”领导这项研究的SLAC科学家Mianzhen Mo表示。

开发可用于建造面向等离子体部件的材料对聚变装置的发展至关重要。钨已被广泛使用，铜合金也因其高导热性而被探索。

据SLAC称，铜合金可用于制造散热器，将热能导离更靠近聚变反应的材料。

在这项新研究中，研究人员使用SLAC的兆电子伏特超快电子衍射（MeV-UED）仪器观察了纯铜样品，该仪器是一台强大的“电子相机”，用于研究化学和固态系统中时间分辨的超快原子和分子动力学。

这使他们能够在样品熔化的几皮秒内观察铜在原子层面的行为。

模拟预测了超快加热过程中的特定进程：铜样品将在约1085°C时沿其表面开始熔化，然后随着温度升高，侧面和边缘继续熔化，而样品中心区域将保持其晶格结构，直到样品达到约1424°C，此时剩余的晶格预计会瞬间坍塌为完全无序的液体。

然而，研究人员观察到的是随着温度升高而逐渐熔化，而非预测中的突然坍塌。

SLAC表示，研究人员将这一差异追溯到模拟中的一个假设，即在熔化过程中铜原子会受到各方向均匀的压力，使原子固定在原位。实际上，实验压力条件远更具动态性，允许原子移动并保持一定秩序，甚至在高于预期温度时也是如此。

通过将这些额外参数整合到计算机模拟中，团队能够复现铜原子的实验行为。

“这是一个直接的解决方案，但分子动力学模拟多年来一直忽略了它，”Mo说。“当你试图用复杂的模拟捕捉现实的每一个方面，直到单个原子时，需要真实世界的数据来告诉你计算中缺少了什么。”

实验还揭示，在超快加热场景中，铜表现出一种称为预熔化的现象迹象，即在系统达到标准熔点之前，纳米级晶粒表面及其边界处出现无序。

“这是对建模能力及其未来预测能力的重大改进，”SLAC教授、该论文作者Siegfried Glenzer说。“我们能够看到这些现象的精度和分辨率表明，这项技术在揭示这些超快、超小动力学方面有多么卓越。”

Mo的团队还使用MeV-UED研究了钨中的声子相互作用，为材料中的热输运提供了更细致的理解。