工程师们粉碎岩石以观察当类似小行星的物体的顶层受到极端外力撞击时会发生什么

约翰霍普金斯大学的工程师们发现了有关沙子和岩石等颗粒材料在极端撞击下的行为的新细节——这一发现未来可能有助于保护地球免受危险的小行星的撞击。

研究团队利用新颖的实验技术和先进的计算机模拟发现，这些材料在高速撞击时会表现出意想不到的行为，这一发现挑战了传统模型。他们的研究成果发表在《固体力学与物理学杂志》上。

“我们的研究表明，在同一次撞击事件中，材料的不同部分，甚至不同的沙粒，都会有截然不同的表现，”研究小组负责人、约翰霍普金斯大学惠廷工程学院机械工程副教授、霍普金斯极端材料研究所(HEMI)研究员瑞安·赫尔利(RyanHurley)说。

“我们的发现有可能为从小行星偏转到平板电脑制造等工业过程等应用提供参考。”

该团队用气枪以高达2公里/秒的速度向由铝和钠钙玻璃制成的颗粒样品发射射弹，并在撞击后的最初几微秒内观察样品的行为。虽然这类实验通常在约翰霍普金斯大学巴尔的摩分校的HEMI现场进行，但这次实验是在芝加哥的先进光子源(APS)进行的，因为它需要使用特殊的X射线设备来观察撞击。

“如果你去海滩，你只能看到表面的沙子，但X射线可以看到沙子下面发生的情况，”机械工程博士生兼论文第一作者SohanjitGhosh说。

“我们将X射线图像与我们开发的数值模型结合起来，将二维X射线图像变成三维过程，让我们能够全面了解时间和空间上发生的情况。”

图片来源：约翰霍普金斯大学

研究人员发现，除了其他化学反应外，强烈压缩产生的热量还会导致晶粒破裂、熔化和重新凝固。

“观察不同撞击速度下颗粒之间的不同相互作用是件很有趣的事，”戈什说。“我们发现，当撞击速度越来越高时，会有大量热能传输，颗粒实际上会熔化然后重新形成。”

研究团队观察到，不同的金属材料在高速撞击过程中会表现出不同的能量耗散方式。铝等材料通过形成缺陷和塑性来吸收能量，而钠钙玻璃等脆性材料则通过破裂和碎裂来耗散能量。

研究人员表示，这些发现可以为未来类似于2022年DART任务的任务提供参考，该任务撞击了一颗小行星，改变了其轨道。

“所有小行星的顶部都有一层沙子，称为风化层，当你击中它们时，风化层会消散大量的撞击能量，”戈什说。“我们可以从这种建模和实验的结合中推断出不同材料在不同环境和撞击条件下的表现。”

戈什表示，虽然实验的筹备持续了几个月，但实际的体验却只是一眨眼就结束了。

“实验的时间非常短——只有几百纳秒，”他说。“我们准备整个实验用了一个月的时间，然后在几微秒内就结束了。”

HEMI助理研究员MohmadThakur也是研究小组成员。