如果微小的顆?！呐率且涣；覊m甚至是微小的液滴——獲得足夠高的速度，也足以破壞掉堅(jiān)硬的金屬表面。 但到目前為止，一直存在著一個(gè)問題，科學(xué)家也不清楚這種撞擊過程中都會(huì)發(fā)生些什么。那是因?yàn)?，首先微粒要真的足夠微小——這也是實(shí)驗(yàn)的基本條件，而同時(shí)要想實(shí)現(xiàn)“雞蛋打破石頭”的效果，微粒的速度又必須特別特別的大。
現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的研究人開發(fā)出了一種能夠捕捉到更高速運(yùn)動(dòng)的攝像機(jī)，并且具有足夠的放大倍率，可以完整記錄下撞擊瞬間——現(xiàn)在我們終于眼見為實(shí)——顆粒以超高速撞擊到金屬表面，實(shí)際上在微小局部產(chǎn)生了高溫，使金屬發(fā)生熔化。
科學(xué)家表示，如果單純從先前的侵蝕理論研究出發(fā)，這些都是“無法預(yù)料的”情景。
實(shí)際上，高速微粒對我們的生活很有用，它們在生產(chǎn)作業(yè)中可被用來侵蝕/涂覆/清潔固體的表面，比如說表面噴砂處理就是一種這樣的應(yīng)用工藝。
但它們也可能很危險(xiǎn)，就像擊中了國際空間站的微隕，或是被吸進(jìn)風(fēng)力渦輪機(jī)的灰塵。
“我們希望搞清楚發(fā)生侵蝕過程的機(jī)制和確切條件?！甭槭±砉W(xué)院的工程師Mostafa Hassani-Gangaraj解釋道。
因此，他和他的團(tuán)隊(duì)使用麻省理工學(xué)院開發(fā)的微粒沖擊試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。測試平臺(tái)的幀速率高達(dá)1億FPS，可以用令人難以置信的超高速度進(jìn)行錄制。
他們在裝置上固定一塊金屬錫，然后使用激光轟擊另一塊錫。激光蒸發(fā)了表面上的原子，并在該過程中崩裂下微小的金屬顆粒。錫顆粒直徑約為10微米——約0.01毫米——以高達(dá)1公里/秒的速度撞向固定好的錫片。
他們同時(shí)借助激光來照明，以便清楚地記錄下正在發(fā)生的事情。
這使得科學(xué)家第一次直接目睹了破壞發(fā)生的機(jī)制，而非像以往一樣，通過撞擊后檢查表面的變化來推測。
您可以清楚地看到熔化的材料從撞擊點(diǎn)濺出：
微粒撞擊造成的侵蝕空洞(Hassani-Gangaraj et al.)
這些信息具有非常高的價(jià)值。它們可以幫助我們優(yōu)化那些使用高速微粒作業(yè)的工業(yè)過程。以前，相關(guān)領(lǐng)域的研究人員曾經(jīng)認(rèn)為，更高的速度可以獲得更好的結(jié)果。
現(xiàn)在，看過動(dòng)態(tài)圖的朋友都知道，實(shí)際情況并非總是如此——撞擊速度過高，會(huì)導(dǎo)致底材的熔化，可能會(huì)使材料性質(zhì)發(fā)生變化。
我們還從中得知，為什么灰塵微粒會(huì)損壞渦輪機(jī)、航天器和石油管道、火星上可憐的登陸車如何更好地抵御沙塵暴。有了這些新知識(shí)，工程師可以開發(fā)出更多抗腐蝕材料，用于空間和地面應(yīng)用。
未來還需要更多的研究。因?yàn)樵搱F(tuán)隊(duì)僅使用錫來完成實(shí)驗(yàn)，并采用了直入沖擊角度。不同的材料——具有不同的硬度和熔點(diǎn)(錫非常低)，以及不同的沖擊角度———可能會(huì)帶來不大一樣的結(jié)果。
但是，我們第一次以如此直觀的方式完成實(shí)驗(yàn)，證明該測試平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)裝置可用于捕捉和分析撞擊瞬間的物理過程，確實(shí)令人印象深刻。
他們的研究成果被發(fā)表在Nature Communications上。