Technika trzaskającego hałasu nasłuchuje nanowstrząsów w materiałach – Świat Fizyki

Nowa technika mikroskopowa do pomiaru „trzaskającego hałasu” w nanoskali może mieć szeroki zakres zastosowań, od pomocy naukowcom w lepszym zrozumieniu słabych punktów w metalach po badanie struktur biologicznych, takich jak kamienie nerkowe, aby można je było zniszczyć bez konieczności przeprowadzania większej operacji.

Kiedy materiał jest poddawany naprężeniu lub odkształceniu, uruchamia serię procesów atomowych, które mogą zmienić płynny ruch, na przykład proste ściskanie w sekwencję gwałtownych ruchów. Rezultatem jest zjawisko znane jako trzaskający hałas, który brzmi raczej jak skrzypiące drzwi, ale występuje w postaci lawinowych kaskad, które obejmują wiele skal wielkości i podlegają uniwersalnym prawom mocy.

„Typowym przypadkiem jest sytuacja, gdy podczas ściskania powstają pęknięcia, które nie przebiegają w prostej linii, ale wykazują złożone wzory z dużą liczbą odgałęzień, jak w błysku błyskawicy” – wyjaśnia Ekharda Salje, fizyk ciała stałego na Uniwersytecie im University of Cambridgez Wielkiej Brytanii, z którym współprowadził nowe badanie Jana Seidela ukończenia University of New South Wales (UNSW) w Australii. „Gdy jest dużo pęknięć, materiał mięknie, a nawet może się rozpaść”.

Trzaski zostały po raz pierwszy zbadane w materiałach magnetycznych i są znane jako szum Barkhausena od nazwiska niemieckiego fizyka, który odkrył je w 1919 r. Obecnie są one wykorzystywane w materiałoznawstwie do badania metali i stopów; w geofizyce do badania trzęsień ziemi; oraz w fizyce ciała stałego w celu opracowania urządzeń pamięci z materiałów ferroicznych, takich jak BaTiO₃. „Za każdym razem, gdy pamięć jest aktywowana, inicjuje lawinę” – wyjaśnia Salje. „Ta lawina pomogła naukowcom określić, które materiały nadają się do stosowania w urządzeniach takich jak przełączanie pamięci”.

Obserwując pełne spektrum trzaskających dźwięków

W nowej pracy członkowie zespołu Cambridge-UNSW wykorzystali technikę opartą na nanoindentacji mikroskopii sił atomowych (AFM). Bardzo powoli – przez wiele godzin – wprowadzali sondę AFM do badanej próbki. To powolne wprowadzanie jest ważne, ponieważ jeśli sonda porusza się zbyt szybko, nawet najnowocześniejszy sprzęt elektroniczny wykryje zbyt wiele nakładających się sygnałów, przez co będzie obserwowany proces ciągły, a nie pojedyncze szarpnięcia, mówi Salje. To nakładanie się utrudnia identyfikację poszczególnych sygnałów szumu trzaskającego.

Dzięki cierpliwemu podejściu zespół był w stanie po raz pierwszy zaobserwować pełne spektrum trzaskającego hałasu i powiązać je z określonymi formami lawiny.

Według naukowców technika ta może mieć kilka zastosowań. Obejmują one badania specjalnych stopów na skrzydła samolotów; badanie korozji metali w celu identyfikacji słabych punktów, w których metal pęka w skali atomowej; i testowanie wykonalności nowych materiałów drukowanych w 3D. Salje twierdzi, że szczególnie interesuje go badanie materiałów biologicznych, takich jak kości i zęby, które emitują trzaskający dźwięk. Kolejny ważny projekt z Szpital Addenbrooks w Cambridge, polega na badaniu trzaskającego dźwięku w kamieniach nerkowych.

Trzask, trzask i tama: dmuchany ryż daje wgląd w zapadnięcie się skał i szelfu lodowego

„Możemy sobie wyobrazić budowanie rurki zakończonej igłą i badanie kamieni nerkowych” – wyjaśnia Salje. „Pomogłoby nam to znaleźć sposób na zniszczenie ich od zewnątrz bez konieczności uciekania się do bardziej inwazyjnej operacji”.

Seidel dodaje, że on i jego koledzy z UNSW planują wykorzystać tę technikę do badania defektów topologicznych w różnych materiałach funkcjonalnych. „Będziemy także zastanawiać się, jak ulepszyć samo podejście pomiarowe za pomocą systemu AFM” – ujawnia. „W tej chwili poszukuję nowego doktoranta, który będzie kontynuował tę pracę, ponieważ główny autor tej pracy, która jest publikowana w Nature Communications, niedawno ukończyłem moją grupę.”

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/crackling-noise-technique-listens-to-nanoquakes-in-materials/