เทคนิคเสียงแคร็กฟังแผ่นดินไหวระดับนาโนในวัสดุ - โลกฟิสิกส์

เทคนิคเสียงแคร็กฟังแผ่นดินไหวระดับนาโนในวัสดุ - โลกฟิสิกส์

ประทับเวลา: 28 กันยายน 2023 7:00 น.

ภาพถ่ายคนใช้กล้องจุลทรรศน์อาบแสงสีฟ้า
เครื่องมือที่ละเอียดอ่อน: กล้องจุลทรรศน์แบบโพรบสแกน (SPM) ในกลุ่มของ Jan Seidel ที่ UNSW ซิดนีย์ ใช้เพื่อศึกษาวัสดุใหม่และวัสดุ 2 มิติ (เอื้อเฟื้อโดย: ฟลีต)

เทคนิคการใช้กล้องจุลทรรศน์แบบใหม่ในการวัด "เสียงแคร็ก" ในระดับนาโนอาจมีการใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่การช่วยให้นักวิจัยเข้าใจจุดอ่อนในโลหะได้ดีขึ้น ไปจนถึงการตรวจสอบโครงสร้างทางชีววิทยา เช่น นิ่วในไต เพื่อให้สามารถถูกทำลายได้โดยไม่จำเป็นต้องผ่าตัดใหญ่

เมื่อวัสดุตกอยู่ภายใต้ความเค้นหรือความเครียด มันจะกระตุ้นให้เกิดกระบวนการอะตอมมิกหลายชุดที่สามารถเปลี่ยนการเคลื่อนไหวที่ราบรื่น เช่น การบีบอัดอย่างง่าย ๆ ให้กลายเป็นลำดับการกระตุก ผลที่ได้คือปรากฏการณ์ที่เรียกว่าเสียงแคร็ก ซึ่งฟังดูคล้ายกับประตูที่ดังเอี๊ยด แต่เกิดขึ้นในน้ำตกที่มีลักษณะคล้ายหิมะถล่ม ซึ่งครอบคลุมหลายขนาดและเป็นไปตามกฎพลังงานสากล

“กรณีทั่วไปคือเมื่อการบีบอัดทำให้เกิดรอยแตกร้าวที่ไม่คืบหน้าเป็นเส้นธรรมดา แต่แสดงรูปแบบที่ซับซ้อนและมีกิ่งก้านจำนวนมาก เหมือนเกิดฟ้าผ่า” อธิบาย เอคาร์ด ซัลเยเป็นนักฟิสิกส์สถานะของแข็งที่ มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ประเทศอังกฤษซึ่งร่วมเป็นผู้นำการศึกษาครั้งใหม่ด้วย ยาน ไซเดล ของ มหาวิทยาลัยนิวเซาธ์เวลส์ (UNSW) ในออสเตรเลีย “เมื่อมีรอยแตกร้าวมากมาย วัสดุจะอ่อนตัวและอาจแตกสลายด้วยซ้ำ”

เสียงแคร็กได้รับการศึกษาครั้งแรกในวัสดุแม่เหล็ก ซึ่งเป็นที่รู้จักในชื่อเสียงบาร์คเฮาเซน ตามชื่อนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันผู้ค้นพบมันในปี พ.ศ. 1919 ปัจจุบันมีการใช้ในวัสดุศาสตร์เพื่อตรวจสอบโลหะและโลหะผสม ในธรณีฟิสิกส์เพื่อศึกษาแผ่นดินไหว และในฟิสิกส์โซลิดสเตตเพื่อพัฒนาอุปกรณ์หน่วยความจำในวัสดุเฟอร์โรอิก เช่น BaTiO3. “ทุกครั้งที่หน่วยความจำถูกเปิดใช้งาน มันจะทำให้เกิดหิมะถล่ม” Salje อธิบาย “หิมะถล่มนี้ช่วยให้นักวิจัยระบุได้ว่าวัสดุชนิดใดดีสำหรับอุปกรณ์ต่างๆ เช่น การสลับหน่วยความจำ”

สังเกตเสียงแตกเต็มสเปกตรัม

ในงานชิ้นใหม่นี้ สมาชิกของทีม Cambridge-UNSW ใช้เทคนิคจากการใช้กล้องจุลทรรศน์กำลังอะตอม (AFM) ในการเยื้องระดับนาโน พวกเขาใส่หัววัด AFM เข้าไปในตัวอย่างที่กำลังศึกษาอย่างช้าๆ เป็นเวลาหลายชั่วโมง การแทรกที่ช้านี้มีความสำคัญเนื่องจากหากโพรบเคลื่อนที่เร็วเกินไป แม้แต่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ล้ำสมัยก็ยังรับสัญญาณที่ทับซ้อนกันมากเกินไป และทำให้มองเห็นกระบวนการที่ต่อเนื่องมากกว่าการกระตุกแต่ละครั้ง Salje กล่าว การทับซ้อนนี้ทำให้ยากต่อการระบุสัญญาณเสียงแตกแต่ละอัน

แผนภาพของการตั้งค่าการทดลองแสดงกล้องจุลทรรศน์แบบโพรบสแกนเหนือตัวอย่างโดยมีปลายเป็นรอยเยื้องระดับนาโนและเสียงแตกร้าว (แสดงด้วยเส้นสีเหลืองโค้ง) ที่เล็ดลอดออกมาจากผนังโดเมนในตัวอย่าง
กล้องจุลทรรศน์เสียงแคร็กจะตรวจจับหิมะถล่มระดับนาโนในวัสดุโดยใช้ปลายกล้องจุลทรรศน์แบบโพรบสแกน (SPM) ขอขอบคุณ: FLEET

ด้วยแนวทางที่อดทน ทีมงานจึงสามารถสังเกตเสียงแคร็กเต็มสเปกตรัมได้เป็นครั้งแรก และเชื่อมโยงกับรูปแบบเฉพาะของหิมะถล่ม

ตามที่นักวิจัยกล่าวว่าเทคนิคนี้อาจมีประโยชน์หลายอย่าง ซึ่งรวมถึงการตรวจสอบโลหะผสมพิเศษสำหรับปีกเครื่องบิน ศึกษาการกัดกร่อนในโลหะเพื่อระบุจุดอ่อนที่โลหะแตกหักในระดับอะตอม และทดสอบความมีชีวิตของวัสดุพิมพ์ 3 มิติใหม่ๆ Salje กล่าวว่าเขาสนใจเป็นพิเศษในการศึกษาวัสดุทางชีวภาพ เช่น กระดูกและฟัน ซึ่งทั้งสองอย่างส่งเสียงแตกร้าว อีกหนึ่งโครงการที่สำคัญกับ โรงพยาบาล Addenbrooks ในเคมบริดจ์คือการศึกษาเสียงแคร็กในนิ่วในไต

“เราสามารถจินตนาการถึงการสร้างท่อที่มีเข็มอยู่ที่ปลายและทดสอบนิ่วในไต” Salje อธิบาย “นี่จะช่วยให้เราค้นพบวิธีทำลายพวกมันจากภายนอกโดยที่ต้องใช้การผ่าตัดที่รุกรานมากขึ้น”

Seidel กล่าวเพิ่มเติมว่าเขาและเพื่อนร่วมงานของเขาที่ UNSW วางแผนที่จะใช้เทคนิคนี้เพื่อศึกษาข้อบกพร่องด้านทอพอโลยีในวัสดุเชิงหน้าที่ต่างๆ "เราจะพิจารณาวิธีการปรับปรุงวิธีการวัดโดยใช้ระบบ AFM" เขากล่าว “ขณะนี้ผมกำลังมองหานักศึกษาปริญญาเอกคนใหม่เพื่อสานต่องานนี้ตั้งแต่ผู้เขียนนำผลงานชิ้นนี้ตีพิมพ์ใน การสื่อสารธรรมชาติเพิ่งสำเร็จการศึกษาจากกลุ่มของฉัน”

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์