Teknik med sprakande ljud lyssnar på nanobävningar i material – Physics World

En ny mikroskopiteknik för att mäta "sprakande ljud" på nanoskalan kan ha ett brett spektrum av tillämpningar, från att hjälpa forskare att bättre förstå svaga punkter i metaller till att undersöka biologiska strukturer som njursten så att de kan förstöras utan att behöva göra en större operation.

När ett material utsätts för påfrestning eller påfrestning utlöser det en serie atomära processer som kan ändra en jämn rörelse, såsom en enkel kompression, till en sekvens av ryckiga. Resultatet är ett fenomen som kallas sprakande ljud, som låter ganska som en knarrande dörr men uppstår i lavinliknande kaskader som spänner över många storleksskalor och följer universella maktlagar.

"Ett typiskt fall är när en kompression producerar sprickor som inte fortskrider i en enkel linje, utan visar komplexa mönster med många grenar, som i en blixt", förklarar Ekhard Salje, en fast tillståndsfysiker vid University of Cambridge, Storbritannien, som ledde den nya studien med Jan Seidel av University of New South Wales (UNSW) i Australien. "När det finns många sprickor mjuknar materialet och kan till och med sönderfalla."

Sprickljud studerades först i magnetiska material, där det är känt som Barkhausen-bruset efter den tyska fysikern som upptäckte det 1919. Det används nu inom materialvetenskap för att undersöka metall och legeringar; i geofysik för att studera jordbävningar; och inom fast tillståndsfysik för att utveckla minnesenheter i ferroiska material som BaTiO₃. – Varje gång minnet aktiveras initierar det en lavin, förklarar Salje. "Denna lavin hjälpte forskare att identifiera vilka material som var bra för enheter som minnesbyte."

Att observera hela spektrat av sprakande ljud

I det nya arbetet använde medlemmar av Cambridge-UNSW-teamet en teknik baserad på atomic force microscopy (AFM) nanoindentation. De förde in AFM-sonden extremt långsamt – under en period av många timmar – i provet som studerades. Den här långsamma insättningen är viktig eftersom om sonden rör sig för snabbt, kommer till och med den senaste elektroniska utrustningen att fånga upp för många överlappande signaler och därmed se en kontinuerlig process snarare än individuella ryck, säger Salje. Denna överlappning gör det svårt att identifiera individuella sprakande brussignaler.

Tack vare sitt tålmodiga tillvägagångssätt kunde teamet observera hela spektrumet av sprakande ljud för första gången och relatera det till specifika former av laviner.

Enligt forskarna kan tekniken ha flera användningsområden. Dessa inkluderar att undersöka speciella legeringar för flygplansvingar; studera korrosion i metaller för att identifiera svaga punkter där metallen går sönder på atomär skala; och testa lönsamheten hos nya 3D-tryckta material. Salje säger att han är särskilt intresserad av att studera biologiska material som ben och tänder, som båda avger sprakande ljud. Ett annat viktigt projekt, med Addenbrooks sjukhus i Cambridge, är att studera knastrande ljudet i njursten.

Snäpp, knastrar och fördäm: puffat ris ger insikter om stenfyllning och ishylla kollaps

– Vi kan tänka oss att bygga ett rör med en nål i änden och testa njursten, förklarar Salje. "Detta skulle hjälpa oss att ta reda på hur man förstör dem från utsidan med att behöva tillgripa mer invasiv kirurgi."

Seidel tillägger att han och hans kollegor vid UNSW planerar att använda tekniken för att studera topologiska defekter i olika funktionella material. "Vi kommer också att titta på hur vi kan förbättra själva mätmetoden med hjälp av ett AFM-system", avslöjar han. ”För tillfället letar jag efter en ny doktorand för att fortsätta detta arbete eftersom huvudförfattaren till detta arbete, som publiceras i Nature Communications, nyligen utexaminerad från min grupp.”

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/crackling-noise-technique-listens-to-nanoquakes-in-materials/