Kỹ thuật tạo tiếng ồn tanh tách nghe động đất nano trong vật liệu – Thế Giới Vật Lý

Kỹ thuật tạo tiếng ồn tanh tách nghe động đất nano trong vật liệu – Thế Giới Vật Lý

Dấu thời gian: Ngày 28 tháng 2023 năm 7 00:XNUMX AM

Ảnh người sử dụng kính hiển vi, tắm trong ánh sáng xanh
Dụng cụ nhạy cảm: Kính hiển vi thăm dò quét (SPM) trong nhóm của Jan Seidel tại UNSW, Sydney, được sử dụng để nghiên cứu các vật liệu mới và 2D. (Được phép: FLEET)

Một kỹ thuật kính hiển vi mới để đo “tiếng ồn lách tách” ở cấp độ nano có thể có nhiều ứng dụng, từ việc giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về các điểm yếu trong kim loại đến nghiên cứu các cấu trúc sinh học như sỏi thận để chúng có thể bị phá hủy mà không cần phẫu thuật lớn.

Khi một vật liệu bị đặt dưới áp lực hoặc sức căng, nó sẽ kích hoạt một loạt các quá trình nguyên tử có thể thay đổi chuyển động trơn tru, chẳng hạn như chuyển động nén đơn giản thành một chuỗi chuyển động giật. Kết quả là một hiện tượng được gọi là tiếng ồn tanh tách, nghe giống như tiếng cửa cọt kẹt nhưng xảy ra thành những dòng thác giống như tuyết lở trải rộng trên nhiều quy mô kích thước và tuân theo các định luật năng lượng phổ quát.

“Một trường hợp điển hình là khi quá trình nén tạo ra các vết nứt không tiến triển theo một đường đơn giản mà hiển thị các mô hình phức tạp với nhiều nhánh, giống như trong một tia sét,” giải thích Ekhard Salje, một nhà vật lý chất rắn tại Đại học Cambridge, Vương quốc Anh, người đồng chủ trì nghiên cứu mới với Jan Seidel của Đại học New South Wales (UNSW) ở nước Úc. “Khi có nhiều vết nứt, vật liệu sẽ mềm đi và thậm chí có thể tan rã”.

Tiếng ồn nổ lách tách lần đầu tiên được nghiên cứu trong các vật liệu từ tính, nơi nó được gọi là tiếng ồn Barkhausen theo tên nhà vật lý người Đức phát hiện ra nó vào năm 1919. Hiện nay, nó được sử dụng trong khoa học vật liệu để nghiên cứu kim loại và hợp kim; trong địa vật lý để nghiên cứu động đất; và trong vật lý chất rắn để phát triển các thiết bị bộ nhớ bằng vật liệu sắt như BaTiO3. Salje giải thích: “Mỗi khi bộ nhớ được kích hoạt, nó sẽ gây ra một trận tuyết lở. “Trận tuyết lở này đã giúp các nhà nghiên cứu xác định vật liệu nào tốt cho các thiết bị như chuyển đổi bộ nhớ.”

Quan sát toàn bộ phổ tiếng ồn tanh tách

Trong nghiên cứu mới, các thành viên của nhóm Cambridge-UNSW đã sử dụng một kỹ thuật dựa trên phương pháp thụt nano của kính hiển vi lực nguyên tử (AFM). Họ đưa đầu dò AFM cực kỳ chậm – trong khoảng thời gian nhiều giờ – vào mẫu đang nghiên cứu. Salje cho biết, việc chèn chậm này rất quan trọng vì nếu đầu dò di chuyển quá nhanh, ngay cả thiết bị điện tử tiên tiến nhất cũng sẽ thu được quá nhiều tín hiệu chồng chéo và do đó nhìn thấy một quá trình liên tục thay vì giật từng cái. Sự chồng chéo này gây khó khăn cho việc xác định các tín hiệu tiếng ồn tanh tách riêng lẻ.

Sơ đồ bố trí thí nghiệm cho thấy kính hiển vi đầu dò quét trên một mẫu với đầu của nó có vết lõm nano và tiếng ồn nứt (được biểu thị bằng các đường cong màu vàng) phát ra từ thành miền trong mẫu
Kính hiển vi tiếng ồn crackling phát hiện các trận tuyết lở có kích thước nano trong vật liệu bằng cách sử dụng đầu kính hiển vi đầu dò quét (SPM). Được phép: FLEET

Nhờ cách tiếp cận kiên nhẫn của họ, lần đầu tiên nhóm nghiên cứu đã có thể quan sát toàn bộ phổ tiếng ồn tanh tách và liên hệ nó với các dạng tuyết lở cụ thể.

Theo các nhà nghiên cứu, kỹ thuật này có thể có một số ứng dụng. Chúng bao gồm nghiên cứu các hợp kim đặc biệt cho cánh máy bay; nghiên cứu sự ăn mòn trong kim loại để xác định các điểm yếu nơi kim loại bị vỡ ở quy mô nguyên tử; và thử nghiệm khả năng tồn tại của vật liệu in 3D mới. Salje cho biết anh đặc biệt quan tâm đến việc nghiên cứu các vật liệu sinh học như xương và răng, cả hai đều phát ra tiếng kêu răng rắc. Một dự án quan trọng khác với Bệnh viện Addenbrooks ở Cambridge, là để nghiên cứu tiếng kêu lách tách trong sỏi thận.

Salje giải thích: “Chúng ta có thể tưởng tượng việc chế tạo một ống có kim ở đầu và kiểm tra sỏi thận. “Điều này sẽ giúp chúng tôi tìm ra cách tiêu diệt chúng từ bên ngoài bằng cách phải dùng đến phương pháp phẫu thuật xâm lấn hơn”.

Seidel cho biết thêm rằng ông và các đồng nghiệp tại UNSW có kế hoạch sử dụng kỹ thuật này để nghiên cứu các khiếm khuyết cấu trúc liên kết trong các vật liệu chức năng khác nhau. Ông tiết lộ: “Chúng tôi cũng sẽ xem xét cách cải thiện phương pháp đo lường bằng cách sử dụng hệ thống AFM”. “Hiện tại, tôi đang tìm một nghiên cứu sinh tiến sĩ mới để tiếp tục công việc này vì tác giả chính của công trình này, được xuất bản trên tạp chí Nature Communications, vừa tốt nghiệp khỏi nhóm của tôi ”.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý