Вчені використовують секрети землетрусів для створення міцніших матеріалів

Матеріалознавці відкрили новий спосіб прогнозування деградації та руйнування матеріалів, вивчаючи мусковітову слюду та застосовуючи статистичну динаміку землетрусів і снігових лавин. Це дослідження має значення для вдосконалення сонячних панелей, геологічного поглинання вуглецю та будівництва.

Матеріалознавці зараз використовують дані про звичайний мінерал, а також статистику землетрусів і лавин, щоб виміряти, як суворі умови навколишнього середовища впливають на деградацію і руйнування матеріалів. Такий підхід може підвищити довговічність сучасних сонячних панелей, систем поглинання вуглецю та інфраструктури — будівель, доріг і мостів.

Нове дослідження, проведене Іллінойським університетом Урбана-Шампейн у співпраці з Сандійською національною лабораторією та Університетом Бакнелла, показало, що величина деформації від напруги, прикладеної до поверхні мусковітової слюди, залежить від фізичного стану поверхні мінералу і слідує статистичним закономірностям, подібним до тих, що спостерігаються при землетрусах і лавинах.

Дослідження було опубліковано сьогодні (6 листопада) в журналі Nature Communications.

Хіміко-механічне ослаблення та руйнування матеріалу

Вибираючи матеріали для інженерних застосувань, вчені хочуть знати, як поверхня цього матеріалу взаємодіятиме з середовищем, у якому він буде використовуватися. Подібним чином геологи хочуть зрозуміти, як хімічні реакції між мінералами та підземними водами вздовж розломів можуть повільно послаблювати гірські породи та призводити до швидких спалахів механічних пошкоджень через процес, який називається хіміомеханічним послабленням.

«У той час, як попередні спроби кількісно визначити ефект хіміомеханічного ослаблення в інженерних матеріалах спиралися на складні моделі молекулярної динаміки, що вимагали значних обчислювальних ресурсів, натомість наша робота наголошує на зв’язку між лабораторними експериментами та явищами реального світу, такими як землетруси», — сказав аспірант Джордан Сікл, який керував дослідженням із професором фізики з Іллінойсу Карін Дамен.

«Московіт був обраний для цього дослідження головним чином через надзвичайну площинність цього матеріалу», — сказав Дамен. «Кожен з його пластівчастих шарів плоский аж до атомного рівня. Через цю площинність взаємодія між поверхнею цього матеріалу та його середовищем є особливо важливою».

Тестування хіміомеханічного ослаблення за різних умов

Щоб виміряти хіміомеханічне ослаблення поверхонь мусковіту, Національна лабораторія Сандіа піддала зразки різним хімічним умовам — сухим, зануреним у деіонізовану воду та сольові розчини з рН 9,8 і 12. Під час впливу інструмент, відомий як наноіндентор, тиснув на поверхню мінералів і реєстрував переміщення або руйнування матеріалу при контрольованих механічних навантаженнях.

Дослідники виявили, що в сухих умовах мусковіт може деформуватися більше, перш ніж вийти з ладу, ніж у вологих умовах. У разі руйнування зразки в кожному стані вивільняють свою запасену пружну енергію. Дослідження повідомляє, що коли мусковіт піддається впливу основного розчину з рН 9,8 або 12, верхній шар слабшає, і менше енергії може накопичуватися до того, як станеться збій, що відображається в статистиці вибухів.

Прискорення аналізу матеріалів за допомогою статистики землетрусів

«Результати цієї роботи дозволяють дослідникам перевіряти пошкодження матеріалу швидше, ніж потужні детальні імітаційні моделі», — сказав Сікл. «Показавши, що ми можемо спостерігати ті самі результати за допомогою статистичних моделей, які вже існують для землетрусів, дослідники зможуть виконувати більш продуктивний аналіз матеріалу, ніж це було можливо раніше».