Da biste predvideli kako se materijali ponašaju, prvo morate znati njihove karakteristike. Dalje, pretpostavimo da želite da manipulišete ili dizajnirate nove materijale i da oni služe nekoj tehnološkoj svrsi u, na primer, elektronskim ili fotonskim kolima. U tom slučaju, morate veoma, veoma dobro razumeti strukturnu dinamiku.
Čvrste kristalne materijale — kao što su metali, keramika, stene i kosti — je poznato da je teško modelirati. Oni se sastoje od zrna, domena i defekata i izazivaju ih mnoge konkurentske sile koje vrše svoj uticaj na nekoliko nivoa. Da bi modelovali takve materijale, naučnici su koristili visoko specijalizovane rendgenske zrake i stigli do toga da karakterišu materijale sa rezolucijom od čak 100 nanometara – više od 500 puta manjom od ljudske kose.
Rezolucija, međutim, nije jedina stvar koju treba pokriti. Tu je i činjenica da se ono što se dešava u ovim materijalima dešava tokom vremena, a naučnici to nisu uspeli da prate detaljnije od milisekundi do sekunde. Ali unutar kristala, neke stvari se dešavaju veoma brzo, na primer kada promene oblik ili prenose toplotu. Ove stvari su povezane sa načinom na koji su atomi u kristalima raspoređeni i kreću se. Često se dešavaju u mikrosekundama—ponekad čak i piko- ili nanosekundama.
Još jedan takav fenomen su zvučni talasi koji putuju kroz materijal. Oni su tamo mnogo manje od jedne milisekunde. Nedavni članak u časopisu PNAS — Snimanje akustičnih talasa u realnom vremenu u rasutim materijalima pomoću rendgenske mikroskopije — obuhvata uspeh danskih i američkih naučnika u hvatanju upravo toga: zvučnih talasa koji putuju kroz uzorak dijamanata od 1 mm.
„Želimo da vidimo ove promene u 3D, ali do sada to nije moglo da se uradi dovoljno brzo ili bez oštećenja kristala. Naša nova tehnologija to može da uradi brže i neinvazivno i radiće za mnoge kristale“, odgovarajući autor prof. Henning Friis Poulsen iz DTU Phisics objašnjava.
On dodaje: „Da bismo radili snimanje brzinom zvuka, bilo je potrebno izgraditi potpuno novi mikroskop na kraju 3 km dugog ‘rendgenskog lasera sa slobodnim elektronima’ (KSFEL). Nije dato da ste vi. Uspeće kada ciljate 3 km dug izvor rendgenskih zraka kroz više sočiva i na uzorak prečnika 1 mm, dok se vi nadate da ćete videti zvučni talas koji postoji samo milioniti deo sekunde.“
„Naši rendgenski zraci i optički laserski snopovi su morali da se sretnu na uzorku dijamanta veličine milimetara sa boljom preciznošću vremena od nanosekunde pre nego što su prvi podaci mogli da se dobiju. Ali mi smo to uradili, i verujem da su ovi rezultati će inspirisati mnoštvo novih istraživanja.“
Koautor Teodor S. Holstad objašnjava da se njihov pristup primenjuje na sve vrste kristalnih materijala: „Sa ovim podešavanjem možemo da istražimo širok spektar ultrabrzih strukturnih fenomena koji su do sada bili van domašaja nauke. Vizuelizacija strukturnih procesa na vremenski okvir manji od mikrosekunde je relevantan za fiziku čvrstog stanja, nauku o materijalima i geonauku.“
„Na primer, kada želite da razumete procese u metamaterijalima, fotonskim kristalima, termoelektričnim materijalima, ili čak mekim materijalima kao što su perilen i hibridni perovskiti. Konačno, u geonauci bi moglo biti korisno testirati seizmološke modele kako zvuk putuje u planetarnom materijala“.
Snimci zvučnih talasa su napravljeni sa vremenskim koracima od samo nekoliko pikosekundi i od tada su montirani u male filmove: Zasluge: Tehnički univerzitet Danske
Tim je snimio filmove različitih vrsta zvučnih talasa koji putuju i odbijaju se od površine kristala: Zasluge: Tehnički univerzitet Danske
Takođe su uhvatili disperziju (talas koji se širi tokom vremena) i slabljenje (slabljenje talasa) u mikrosekundnim vremenskim okvirima.
Konačno, pokazali su da je samo jedan rendgenski impuls kraći od hiljaditi deo nanosekunde bio dovoljan za snimanje, otvarajući vrata za vizuelizaciju stohastičkih i nepovratnih procesa u realnom vremenu u vremenskom okviru kraćem od mikrosekundi, mnogo, mnogo brže od milisekunde ili mikrosekunde koje su danas granica.
