Wetenschappers zijn beter geworden in het voorspellen waar aardbevingen zullen plaatsvinden, maar ze tasten nog in het duister over wanneer ze zullen toeslaan en hoe verwoestend ze zullen zijn.

Op zoek naar aanwijzingen die hen zullen helpen aardbevingen beter te begrijpen, wetenschappers van de Universiteit van Pennsylvania bestuderen een fenomeen dat veroudering wordt genoemd. bij het ouder worden, hoe langer materialen met elkaar in contact zijn, hoe meer kracht er nodig is om ze te verplaatsen. Deze weerstand wordt statische wrijving genoemd. Hoe langer iets, zoals een fout, zit stil, hoe meer statische wrijving zich opbouwt en hoe sterker de fout wordt.

Zelfs als de fout blijft bestaan, tektonische beweging vindt nog steeds plaats; spanning bouwt zich op in de breuk als de platen verschuiven totdat ze uiteindelijk zo ver verschuiven dat ze de statische wrijvingskracht overschrijden en beginnen te schuiven. Omdat de fout met de tijd sterker werd, de stress kan oplopen tot grote niveaus, en dan komt er een enorme hoeveelheid energie vrij in de vorm van een krachtige aardbeving.

"Dit verouderingsmechanisme is van cruciaal belang voor het onstabiele gedrag van fouten die leiden tot aardbevingen, " zei Robert Carpick, de John Henry Towne Professor en voorzitter van de afdeling Werktuigbouwkunde en Toegepaste Mechanica in Penn's School of Engineering and Applied Science. "Als je geen veroudering had, dan zou de breuk heel gemakkelijk bewegen en dus zou je veel kleinere aardbevingen krijgen die vaker voorkomen, of misschien zelfs gewoon vloeiende bewegingen. Veroudering leidt tot het optreden van zeldzame, grote aardbevingen die verwoestend kunnen zijn."

Wetenschappers bestuderen al tientallen jaren de beweging van fouten en veroudering in geologische materialen op macroschaal, het produceren van fenomenologische theorieën en modellen om hun experimentele resultaten te beschrijven. Maar er is een probleem als het gaat om deze modellen.

"De modellen zijn niet fundamenteel, niet fysiek gebaseerd, wat betekent dat we die modellen niet kunnen afleiden uit de basisfysica, " zei Kaiwen Tian, een afgestudeerde student in Penn's School of Arts &Sciences.

Maar een op Penn gebaseerd project probeert de wrijving van rotsen vanuit een meer fysiek oogpunt op nanoschaal te begrijpen.

In hun meest recente artikel, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , de onderzoekers bevestigden de eerste fundamentele theorie om veroudering te beschrijven en uit te leggen wat er gebeurt als de belasting toeneemt.

Het onderzoek werd geleid door Tian en Carpick. David Goldsby, een universitair hoofddocent bij de afdeling Aard- en Milieuwetenschappen aan Penn; Izabela Szlufarska, een professor in materiaalkunde en techniek aan de Universiteit van Wisconsin-Madison; UW-alumnus Yun Liu; en Nitya Gosvami, nu een assistent-professor in de afdeling Toegepaste Mechanica bij IIT Delhi, heeft ook meegewerkt aan het onderzoek.

Uit eerder werk van de groep bleek dat statische wrijving logaritmisch is met de tijd. Dat betekent dat als materialen 10 keer langer in contact zijn, dan verdubbelt de wrijvingskracht die nodig is om ze te verplaatsen. Terwijl wetenschappers dit gedrag van gesteenten en geologische materialen op macroscopische schaal hadden gezien, deze onderzoekers observeerden het op nanoschaal.

In deze nieuwe studie de onderzoekers varieerden de hoeveelheid normaalkracht op de materialen om erachter te komen hoe belasting het verouderingsgedrag beïnvloedt.

"Dat is een heel belangrijke vraag omdat belasting twee effecten kan hebben, " zei Tian. "Als je de belasting verhoogt, je vergroot het contactgebied. Het kan ook van invloed zijn op de lokale druk."

Om dit te bestuderen, de onderzoekers gebruikten een atomaire krachtmicroscoop om de hechtsterkte te onderzoeken waar twee oppervlakken elkaar ontmoeten. Ze gebruikten siliciumoxide omdat het een hoofdbestanddeel is van veel gesteentematerialen. Het gebruik van de kleine nanoschaalpunt van de AFM zorgt ervoor dat de interface bestaat uit één enkel contactpunt, waardoor het gemakkelijker wordt om de spanningen en het contactoppervlak in te schatten.

Ze brachten een nanoschaalpunt gemaakt van siliciumoxide in contact met een siliciumoxidemonster en hielden het daar. Nadat er voldoende tijd was verstreken, ze schuiven de punt en maten de kracht die nodig is om het glijden te starten. Carpick zei dat dit analoog is aan het plaatsen van een blok op de vloer, even laten zitten, en dan duwen en meten hoeveel kracht het nodig heeft om het blok te laten bewegen.

Ze observeerden wat er gebeurde als ze harder in de normale richting duwden, het verhogen van de belasting. Ze ontdekten dat ze de normaalkracht verdubbelden, en dan verdubbelde ook de benodigde wrijvingskracht.

Om het uit te leggen, moest heel goed gekeken worden naar het mechanisme dat leidde tot deze toename van de wrijvingskracht.

"De sleutel, "Carpick zei, "is hebben we in onze resultaten laten zien hoe de afhankelijkheid van de wrijvingskracht op de houdtijd en de afhankelijkheid van de wrijvingskracht op de lading combineren. Dit kwam overeen met een model dat aanneemt dat de wrijvingskracht omhoog gaat omdat we chemische bindingen die zich vormen op het grensvlak, dus het aantal van die obligaties neemt met de tijd toe. En, als we harder duwen, wat we doen is het contactoppervlak tussen de tip en het monster vergroten, waardoor wrijving omhoog gaat met normaalkracht."

Voorafgaand aan dit onderzoek, er was gesuggereerd dat harder duwen er ook voor zou kunnen zorgen dat die banden gemakkelijker worden gevormd.

De onderzoekers ontdekten dat dit niet het geval was:bij een goede benadering het vergroten van de normaalkracht vergroot gewoon de hoeveelheid contact en het aantal plaatsen waar atomen kunnen reageren.

Momenteel, de groep kijkt naar wat er gebeurt als de tip voor een zeer korte tijd op het monster blijft zitten. Voorheen keken ze naar wachttijden van een tiende van een seconde tot wel 100 seconden. Maar nu kijken ze naar tijdschalen die zelfs korter zijn dan een tiende van een seconde.

Door te kijken naar zeer korte tijdschema's, ze kunnen inzicht krijgen in de details van de energetische eigenschappen van de chemische bindingen om te zien of sommige bindingen gemakkelijk kunnen worden gevormd en of andere meer tijd nodig hebben om te vormen. Het bestuderen van banden die zich gemakkelijk vormen, is belangrijk omdat dit de eerste banden zijn die worden gevormd en mogelijk inzicht geven in wat er helemaal aan het begin van het contact gebeurt.

Naast een beter begrip van aardbevingen, dit werk zou kunnen leiden tot efficiëntere nano-apparaten. Omdat veel micro- en nano-apparaten zijn gemaakt van silicium, het begrijpen van wrijving is de sleutel om die apparaten soepeler te laten functioneren.

Maar, meest belangrijk, de onderzoekers hopen dat ergens langs de lijn, een beter begrip van veroudering zal hen in staat stellen te voorspellen wanneer aardbevingen zullen plaatsvinden.

"Aardbevingslocaties zijn redelijk goed te voorspellen, "Carpick zei, "maar wanneer er een aardbeving gaat plaatsvinden, is erg moeilijk te voorspellen, en dit komt grotendeels omdat er een gebrek is aan fysiek begrip van de wrijvingsmechanismen achter de aardbevingen. We hebben nog een lange weg te gaan om dit werk in verband te brengen met aardbevingen. Echter, dit werk geeft ons meer fundamentele inzichten in het mechanisme achter deze veroudering en, op de lange termijn, we denken dat dit soort inzichten ons kunnen helpen aardbevingen en andere wrijvingsverschijnselen beter te voorspellen."