Fémekben fedezték fel a világ legkisebb földrengéseit az ELTE kutatói
Az ELTE TTK Anyagfizikai Tanszékén végzett mikromechanikai kísérletek során kiderült, hogy a fémek maradandó alakváltozása során lejátszódó mikroszkopikus deformációs lavinák tökéletes analógiát mutatnak a földrengésekkel.
Az ELTE közleménye szerint a felfedezést az egyetem egyedülálló kísérleti berendezése tette lehetővé, mely képes érzékelni a néhány köbmikrométeres fém mintadarabokból érkező rugalmas hullámokat.
Közel 80 éve Orován Egon, Polányi Mihály és Sir Geoffrey Ingram Taylor egymástól függetlenül ismerték fel, hogy a fémek maradandó alakváltozását vonalszerű rácshibák, úgynevezett diszlokációk hozzák létre. A hibavonalak – amelyeket a fémek általában igen nagy számban tartalmaznak – az alakváltozás során akadályozzák egymás mozgását, ez pedig az anyagban akadozó deformálódást, lavinaszerű viselkedést eredményez.
„A lavinajelenségek során energia szabadul fel, melynek jelentős része – a földrengésekhez hasonló módon – rugalmas hullámok formájában távozik. Ez az úgynevezett akusztikus emisszió jelensége” – magyarázza az ELTE szerdai közleményében Ispánovity Péter Dusán, az ELTE Anyagfizikai Tanszék adjunktusa, a kutatócsoport vezetője.
A jelenség mikroszkopikus méretű mintadarabokon figyelhető meg a legkönnyebben, mivel ezekben kevés hibavonal található. Ezért az ELTE Mikromechanika és Multiskálás Modellezés Kutatócsoportja együttműködésben a prágai Károly Egyetem munkatársaival néhány mikrométer méretű cink egykristály oszlopokat készített fókuszált ionsugaras technikával.
Ehhez a Központi Kutató és Ipari Kapcsolatok Centrum pásztázó elekronmikroszkópját vették igénybe. Az így előállított úgynevezett mikrooszlopokat a mikroszkóp vákuumkamrájában összenyomták, hogy a folyamatot vizuálisan is követhessék.
„Rendkívül összetett kísérletekről van szó, melynek során össze kellett hangolnunk a nanométeres pontosságú manipuláló eszközt az akusztikus jelek érzékelésére szolgáló detektorral, mindezt az elektronmikroszkóp vákuumkamrájában” – mondta el Ugi Dávid, az Anyagfizikai Tanszék doktorjelöltje. „Ennek a komplex mérésnek az elvégzésére jelen pillanatban az egész világon csak a mi laboratóriumunkban van lehetőség” – tette hozzá.
Mivel a detektált akusztikus jelek az ultrahang tartományába esnek (így az emberi fül számára nem érzékelhetőek), a kutatók ezeket hallhatóvá tették. A közlemény szerint a hangjelek puszta detektálása már önmagában is figyelemreméltó eredmény, mivel korábban nem sikerült direkt kapcsolatot teremteni a hangjelek és az azokat kiváltó deformációs folyamatok között. A kutatók azonban az akusztikus jelekből további fontos következtetéseket is levontak. Megállapították, hogy a deformációs események ugyanúgy viselkednek, mint a földrengések: a méretük eloszlását a szeizmológiában jól ismert egyetemes Gutenberg-Richter törvény írja le, és a miniatűr földrengéseket számos elő- és utórengés is övezi.
„Ha nagyon különböző fizikai rendszerek bizonyos körülmények között azonos viselkedést mutatnak, az univerzalitás jelenségének példájával állunk szemben. Az eredményeket erősíti, hogy a kísérletileg kapott viselkedést egyszerűsített modellrendszeren végzett numerikus szimulációkkal is sikerült reprodukálni” – összegezték.
„Eredményeink gyakorlati jelentősége is nagy, hiszen a világon elsőként sikerült közvetlen kapcsolatot teremtenünk a mért akusztikus jelek és az azokat kiváltó deformációs mechanizmus között, az akusztikus jeleket pedig számos ipari alkalmazásban használják anyaghibák keresésére, valamint a szerkezeti anyagok állapotának vizsgálatára” – magyarázza Ispánovity Péter Dusán.
Groma István, az Anyagfizikai Tanszék professzora hozzátette: „A kutatás egészen új távlatokat nyit a területen, hiszen a jövőben a módszer számos különböző anyag esetén is alkalmazható.
A kutatást az ELTE Anyagtudományi Kiválósági Programja támogatta, az eredményeket a Nature Communications című folyóirat április 13-án közölte.
