SLAC团队实时观测铜在极端高温下的渐进熔化过程

美国能源部下属SLAC国家加速器实验室 (SLAC National Accelerator Laboratory) 研究人员及其合作者，利用兆电子伏特超快电子衍射装置 (MeV-UED) 实时观测了铜原子在极端高温下的熔化过程。相关研究已发表在《自然通讯》 (Nature Communications) 上。

未来聚变电站需要在地球上模拟恒星内部的聚变反应。其核心等离子体温度可达数亿摄氏度，周围结构材料则必须承受突发、剧烈的热冲击。铜及其合金因具备良好的导热性能，被认为可在聚变系统中承担“散热器”作用，帮助吸收并转移反应区附近材料产生的热量。因此，弄清铜在接近甚至超过熔点时的微观行为，对聚变装置材料设计具有参考价值。

传统测试通常是在样品被高温处理后观察其最终状态，难以还原熔化发生的具体过程。此次研究中，团队将薄铜膜置于SLAC的MeV-UED装置中，用激光快速加热样品，再用电子束捕捉加热过程中原子尺度的结构变化。该装置能够记录飞秒量级的原子和分子运动，为研究人员提供了逐步追踪铜熔化过程的条件。

此前模拟认为，铜在超快加热时会先在约1085摄氏度从表面开始熔化;随着温度升高，样品侧面和边缘继续熔化，中心区域因承受较高压力可在更长时间内保持晶格结构。当温度升至约1424摄氏度，即接近铜熔点和过热极限的1.25倍时，剩余晶格预计会突然坍塌，转变为完全无序的液体状态。

实验结果与这一预测不同。研究人员没有观察到晶格瞬间崩塌，而是看到了更为缓慢、连续的熔化过程。即便温度超过预期的过热极限，铜的晶格仍未立即失去有序性。

研究团队认为，差异来自模拟中对压力条件的简化处理。既有模型通常假设熔化中的铜处于静态环境，样品四周压力均匀，原子位置受到固定约束;而在真实超快加热实验中，压力状态更加动态，原子能够发生弛豫和移动。这种压力与原子运动的变化，使铜即使在超过过热极限后仍可保持一定程度的有序结构。团队将这些因素纳入分子动力学模拟后，成功重现了实验中观察到的铜原子行为。

负责该研究的SLAC科学家莫绵珍表示，真实实验数据能够指出复杂模拟中被忽略的关键因素，从而改进对材料极端行为的预测。论文资深作者、SLAC高能量密度科学部主任西格弗里德·格伦泽 (Siegfried Glenzer) 表示，高精度、高分辨率观测有助于揭示超快、超微观动力学过程，并提升模型的预测能力。

实验还显示，在超快加热条件下，铜会出现预熔化现象，即在达到标准熔点前，纳米级晶粒表面及晶界区域已开始发生无序化。

研究团队下一步计划在静水压条件下继续测试铜的行为，观察其是否会像模拟预测那样在过热极限附近发生坍塌。在进一步理解纯铜特性的基础上，团队还将研究铜合金更复杂的动力学过程，以及其在聚变系统中吸收热量的潜力。该研究由美国能源部科学办公室聚变能源科学部门和SLAC实验室定向研发项目等提供部分支持。