Naukowcy zajmujący się materiałami odkryli nowy sposób przewidywania degradacji i uszkodzeń materiałów poprzez badanie miki muskowitowej i zastosowanie dynamiki statystycznej trzęsień ziemi i lawin.
Badania te mają wpływ na zaawansowane panele słoneczne, geologiczną sekwestrację węgla i budownictwo.
Naukowcy zajmujący się materiałami wykorzystują obecnie spostrzeżenia dotyczące zwykłego minerału, a także statystyki dotyczące trzęsień ziemi i lawin, aby zmierzyć, jak trudne warunki środowiskowe wpływają na degradację i awarie materiałów. Takie podejście mogłoby poprawić trwałość zaawansowanych paneli słonecznych, systemów sekwestracji dwutlenku węgla i infrastruktury, takiej jak budynki, drogi i mosty.
Nowe badanie prowadzone pod kierunkiem Uniwersytetu Illinois Urbana-Champaign we współpracy z Sandia National Laboratories i Bucknell University ujawnia, że wielkość odkształcenia w wyniku naprężenia wywieranego na powierzchnię miki muskowitowej zależy od stanu fizycznej powierzchni minerału i podlega wzorcom statystycznym podobnym do te obserwowane podczas trzęsień ziemi i lawin.
Badanie opublikowano dzisiaj (6 listopada) w czasopiśmie Komunikacja przyrodnicza.
Osłabienie chemiomechaniczne i uszkodzenie materiału
Wybierając materiały do zastosowań inżynieryjnych, naukowcy chcą wiedzieć, jak powierzchnia tego materiału będzie oddziaływać ze środowiskiem, w którym będzie on używany. Podobnie geolodzy chcą zrozumieć, w jaki sposób reakcje chemiczne między minerałami a wodami gruntowymi występujące wzdłuż uskoków mogą powoli osłabiać skały i skutkować szybkimi seriami uszkodzeń mechanicznych w wyniku procesu zwanego osłabieniem chemomechanicznym.
„Podczas gdy poprzednie próby ilościowego określenia wpływu osłabienia chemomechanicznego materiałów inżynieryjnych opierały się na złożonych modelach dynamiki molekularnej wymagających znacznych zasobów obliczeniowych, nasza praca zamiast tego podkreśla pomost między eksperymentami laboratoryjnymi a zjawiskami w świecie rzeczywistym, takimi jak trzęsienia ziemi” – powiedział doktorant Jordan Sickle, który kierował badaniami z profesor fizyki z Illinois Karin Dahmen.
„Do tego badania wybrano Moskal głównie ze względu na jego wyjątkową płaskość” – powiedział Dahmen. „Każda z jego łuszczących się warstw jest płaska aż do poziomu atomowego. Ze względu na tę płaskość szczególnie ważna jest interakcja między powierzchnią tego materiału a jego otoczeniem.
Testowanie osłabienia chemiomechanicznego w różnych warunkach
Aby zmierzyć osłabienie chemomechaniczne powierzchni muskowitu, Laboratoria Narodowe Sandia poddały próbki różnym warunkom chemicznym — suchym, zanurzonym w wodzie dejonizowanej oraz roztworach soli o pH 9,8 i 12. Podczas naświetlania instrument znany jako nanowgłębnik nakłuł powierzchnię minerałów i rejestrował przemieszczenia lub uszkodzenia materiału przy kontrolowanych obciążeniach mechanicznych.
Naukowcy odkryli, że w suchych warunkach muskowit może się bardziej odkształcić, zanim ulegnie zniszczeniu, niż w wilgotnych warunkach. W przypadku uszkodzenia próbki w każdym stanie uwalniają zmagazynowaną energię sprężystości. Z badania wynika, że po wystawieniu muskowitu na działanie zasadowego roztworu o pH 9,8 lub 12 górna warstwa ulega osłabieniu i przed wystąpieniem awarii można zgromadzić mniej energii, co znajduje odzwierciedlenie w statystykach pękania.
Przyspieszenie analizy materiałów dzięki statystykom dotyczącym trzęsień ziemi
„Wyniki tej pracy pozwalają naukowcom testować uszkodzenia materiałów szybciej niż w przypadku szczegółowych modeli symulacyjnych o dużej mocy” – powiedział Sickle. „Pokazując, że możemy zaobserwować te same wyniki, korzystając z już istniejących modeli statystycznych trzęsień ziemi, badacze będą w stanie przeprowadzić analizę materiałów z większą wydajnością niż było to wcześniej możliwe”.
Odniesienie: „Ilościowe oznaczanie osłabienia chemomechanicznego w mice muskowitowej za pomocą prostego trybu mikromechanicznego” 6 listopada 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-53213-5
Departament Energii Stanów Zjednoczonych i Krajowe Laboratoria Sandia wspierają te badania.
