La tecnica del rumore scoppiettante ascolta i nanoterremoti nei materiali – Physics World

Una nuova tecnica di microscopia per misurare il “crepitio” su scala nanometrica potrebbe avere una vasta gamma di applicazioni, dall’aiutare i ricercatori a comprendere meglio i punti deboli dei metalli allo studio di strutture biologiche come i calcoli renali in modo che possano essere distrutti senza la necessità di un intervento chirurgico importante.

Quando un materiale viene sottoposto a stress o tensione, innesca una serie di processi atomici che possono modificare un movimento fluido come una semplice compressione in una sequenza di movimenti a scatti. Il risultato è un fenomeno noto come crepitio, che suona piuttosto come una porta che cigola ma si verifica in cascate simili a valanghe che si estendono su molte scale di dimensioni e seguono le leggi del potere universale.

“Un caso tipico è quando una compressione produce crepe che non progrediscono in una linea semplice, ma mostrano schemi complessi con molti rami, come in un lampo”, spiega Ekhard Salje, un fisico dello stato solido presso il Università di Cambridge, Regno Unito, con cui ha co-condotto il nuovo studio Jan Seidel della Università del New South Wales (UNSW) in Australia. "Quando ci sono molte crepe, il materiale si ammorbidisce e può persino disintegrarsi."

Il rumore scoppiettante è stato studiato per la prima volta nei materiali magnetici, dove è noto come rumore di Barkhausen dal nome del fisico tedesco che lo scoprì nel 1919. Ora è utilizzato nella scienza dei materiali per studiare metalli e leghe; in geofisica per studiare i terremoti; e nella fisica dello stato solido per sviluppare dispositivi di memoria in materiali ferroci come BaTiO₃. "Ogni volta che la memoria viene attivata, si scatena una valanga", spiega Salje. “Questa valanga ha aiutato i ricercatori a identificare quali materiali erano adatti per dispositivi come la commutazione della memoria”.

Osservando l'intero spettro del rumore scoppiettante

Nel nuovo lavoro, i membri del team Cambridge-UNSW hanno utilizzato una tecnica basata sulla nanoindentazione mediante microscopia a forza atomica (AFM). Hanno inserito la sonda AFM molto lentamente – per un periodo di molte ore – nel campione studiato. Questo inserimento lento è importante perché se la sonda si muove troppo velocemente, anche le apparecchiature elettroniche all'avanguardia raccoglieranno troppi segnali sovrapposti e quindi vedranno un processo continuo anziché singoli scatti, dice Salje. Questa sovrapposizione rende difficile identificare i singoli segnali di rumore scoppiettante.

Grazie al loro approccio paziente, il team ha potuto osservare per la prima volta l'intero spettro del crepitio e collegarlo a forme specifiche di valanghe.

Secondo i ricercatori la tecnica potrebbe avere diversi utilizzi. Questi includono lo studio di leghe speciali per le ali degli aerei; studiare la corrosione nei metalli per identificare i punti deboli in cui il metallo si rompe su scala atomica; e testare la fattibilità di nuovi materiali stampati in 3D. Salje afferma di essere particolarmente interessato allo studio di materiali biologici come ossa e denti, che emettono entrambi un crepitio. Un altro progetto importante, con il Ospedale Addenbrooks di Cambridge, consiste nello studiare il crepitio dei calcoli renali.

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"Possiamo immaginare di costruire un tubo con un ago all'estremità e di testare i calcoli renali", spiega Salje. “Questo ci aiuterebbe a scoprire come distruggerli dall’esterno dovendo ricorrere a un intervento chirurgico più invasivo”.

Seidel aggiunge che lui e i suoi colleghi dell'UNSW intendono utilizzare la tecnica per studiare i difetti topologici in vari materiali funzionali. “Vedremo anche come migliorare l’approccio di misurazione stesso utilizzando un sistema AFM”, rivela. “Al momento, sto cercando un nuovo dottorando per continuare questo lavoro poiché l’autore principale di questo lavoro, che è pubblicato in Nature Communications, recentemente diplomato al mio gruppo."

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/crackling-noise-technique-listens-to-nanoquakes-in-materials/