線缺陷（位錯）的運動已經研究了60多年，但它們的最大運動速度仍是未解之謎。盡管并不否認存在跨音速位錯的可能性，研究者最近的模型和原子模擬預測了在跨音速和亞音速范圍之間存在一個位錯運動的極限速度，此時位錯能夠自能發散。
在此，日本大阪大學Kento Katagiri教授等人使用飛秒x射線射線技術來跟蹤沖擊壓縮單晶金剛石中的超快位錯運動，可視化了堆垛層錯比金剛石中最慢的聲波速更快的事實，展示了其前緣橫向移動的部分位錯的證據。因此，了解晶體中位錯遷移率的上限對于精確地建模、預測和控制在極端條件下材料的力學性能至關重要！
相關研究成果以“Transonic dislocation propagation in diamond”為題發表在Science上。
由外應力引起的材料內部位錯運動與材料的機械性能及其變形動力學有關。?當延展性材料受到應力時，材料內部的位錯會移動以局部容納該力，從而產生塑性。
金屬常見的延展性在金剛石等脆性材料中通常不存在，但即使是脆性材料在某些類型的極端條件下也會表現出延展性，例如沖擊引起的高應變率變形。盡管位錯介導的塑性的基本機制有時與材料中的應變速率不變，但許多研究已經觀察到顯示出高速率敏感性的情況。
在最高應變率下，位錯在變形過程中以接近材料聲速的速度移動。位錯理論預測，當位錯接近給定晶體中的極限（或臨界）速度時，位錯的自能和應力會發散，這意味著位錯被禁止以這些極限速度行進。
各向同性晶體中的極限位錯速度與縱向和橫向聲速一致，而各向異性單晶（如金剛石）則有一個縱向（c1）和兩個橫向 （c1≧?c3），其數量級相同，但并不總是與極限速度一致。
迄今為止，跨音速或超音速真實晶體中的位錯運動尚未在實驗中觀察到。唯一報道的位錯移動速度快于最慢極限速度的實驗證據。相比之下，許多理論和分子動力學（MD）模擬研究已經預測了跨音速甚至超音速位錯運動的存在，表明極限速度不應該是位錯運動的上限。
Gumbsch和Gao使用原子模擬來觀察鎢中的超快位錯運動。他們的模擬表明，跨音速和超音速的位錯穩定運動都是可能的，但僅限于超過極限速度產生的位錯，從而避免了在無限能量極限速度上加速的需要。
雖然對于MD模擬來說，以如此高速的速度產生位錯相對簡單，但測量位錯的實驗還無法獲得那些快速驅動的條件。利用大于107 s-1應變率，激波壓縮技術為研究高速位錯提供了一個獨特的系統，激波波前的能量不連續會產生位錯，最初移動速度比極限位錯快。
作者展示了使用飛秒X射線照相術在單晶金剛石中跨離子移動的沖擊誘導位錯運動的實驗結果，討論了對相關圖像特征的解釋和分配，并說明了位錯速度和相關塑性如何指示輻射和阻力，這意味著微觀結構和體彈塑性行為之間的關系。
了解最快位錯運動的速度是準確預測和控制變形固體的位錯動力學和塑性所必需的，這可以通過離散位錯動力學。?這種超快的位錯運動強烈地影響著材料的機械響應，而這些反應在眾多應用中是必不可少的。
同時，使用強烈的納秒級可見光激光將~100GPa沖擊驅動到單晶金剛石樣品中，使可見激光和X射線（XFEL）同步，使得沖擊在XFEL爆發前幾到幾十納秒發生。射線照相測量顯示，沿著樣品塑性變形區域內的特定晶體平面，堆垛斷層（一種平面缺陷）上有大量光子散射。
這種增強的散射使他們能夠“看到”晶體內的這些平面缺陷。一旦啟動，這些缺陷就會傳播，組合多個圖像幀使他們能夠測量位錯運動。推斷的速度達到了聲速，從而為跨音速位錯傳播提供了實驗證據。
綜上所述，作者使用世界上最亮的X射線激光器之一的原位X射線照相顯示了金剛石中跨音速位錯運動的實驗證據，導致形成跨越塑性變形體積的許多堆垛層錯。發射輻射的微觀位錯運動可能會影響宏觀彈塑性變形動力學。
同時，實驗結果顯示了跨音速位錯運動，為完善模型以深入了解這些極端條件下的超快變形行為提供了關鍵的新機會。在最高應變率下新改進的模型將對許多領域產生顯著的影響，包括結構材料的超快斷裂，地震破裂的預測和分析，精確的制造工藝和電化學應用中的功能。
Kento Katagiri*, Tatiana Pikuz, Lichao Fang, Bruno Albertazzi, Shunsuke Egashira, Yuichi
Inubushi, Genki Kamimura, Ryosuke Kodama, Michel Koenig, Bernard Kozioziemski,
Gooru Masaoka, Kohei Miyanishi, Hirotaka Nakamura1 , Masato Ota, Gabriel Rigon?, Youichi
Sakawa, Takayoshi Sano, Frank Schoofs, Zoe J. Smith, Keiichi Sueda,
Tadashi Togashi, Tommaso Vinci, Yifan Wang, Makina Yabashi, Toshinori Yabuuchi, Leora E.
Dresselhaus-Marais, Norimasa Ozaki, Transonic dislocation propagation in
diamond,?Science,?2023, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh5563
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