Fémekben fedezték fel a világ legkisebb földrengéseit az ELTE kutatói

Közel 80 éve Orován Egon, Polányi Mihály és Sir Geoffrey Ingram Taylor egymástól függetlenül ismerték fel, hogy a fémek maradandó alakváltozását vonalszerű rácshibák, ún. diszlokációk hozzák létre (lásd ábra). A hibavonalak – amelyeket a fémek általában igen nagy számban tartalmaznak – az alakváltozás során akadályozzák egymás mozgását, ez pedig az anyagban akadozó deformálódást, lavinaszerű viselkedést eredményez.

A fémek maradandó alakváltozása általában az ún. diszlokációvonalak mozgásával valósul meg. Egy diszlokáció áthaladása a kristályon annak egy rácsállandóval történő elmozdulását okozza. A gömbök az egyedi atomok helyzetét mutatják a kristályban, a szinek pedig az eredeti poziciótól való elmozdulás métékét szimbolizálják.

“A lavinajelenségek során energia szabadul fel, melynek jelentős része – a földrengésekhez hasonló módon – rugalmas hullámok formájában távozik. Ez az ún. akusztikus emisszió jelensége” – magyarázza Ispánovity Péter Dusán, az ELTE Anyagfizikai Tanszék adjunktusa, a kutatócsoport vezetője.

A jelenséget mikroszkopikus méretű mintadarabokon figyelhetjük meg legkönnyebben, mivel ezekben kevés hibavonal található. Éppen ezért az ELTE Mikromechanika és Multiskálás Modellezés Kutatócsoportja együttműködésben a prágai Károly Egyetem munkatársaival néhány mikrométer méretű cink egykristály oszlopokat készített fókuszált ionsugaras technikával. (Összehasonlításul: egy hajszál tipikus átmérője 75 μm.) Ehhez a Központi Kutató és Ipari Kapcsolatok Centrum pásztázó elekronmikroszkópját vették igénybe. Az így előállított ún. mikrooszlopokat a mikroszkóp vákuumkamrájában összenyomták, hogy a folyamatot vizuálisan is követhessék.

Néhány mikrométer átmérőjű cink mikrooszlopok a deformáció után. A deformáció előtti állapotról készült képet ld. a borítófotón. A próbatestek ionsugaras megmunkálással készültek az ELTE Központi Kutató és Ipari Kapcsolatok Centrum pásztázó elekronmikroszkópja segítségével.

A kísérletek zömét Ugi Dávid, az Anyagfizikai Tanszék doktorjelöltje végezte. ,,Rendkívül összetett kísérletekről van szó, melynek során össze kellett hangolnunk a nanométeres pontosságú manipuláló eszközt az akusztikus jelek érzékelésére szolgáló detektorral, mindezt az elektronmikroszkóp vákuumkamrájában – mondta el a fiatal kutató. – Ennek a komplex mérésnek az elvégzésére jelen pillanatban az egész világon csak a mi laboratóriumunkban van lehetőség.”

Az alábbi videón egy mikrooszlop összenyomása látható. Mivel a detektált akusztikus jelek az ultrahang tartományába esnek (így az emberi fül számára nem érzékelhetőek), a kutatók ezeket hallhatóvá tették. A hangjelek puszta detektálása már önmagában is figyelemreméltó eredmény, hiszen korábban nem sikerült direkt kapcsolatot teremteni a hangjelek és az azokat kiváltó deformációs folyamatok között. A kutatók azonban az akusztikus jelekből további fontos következtetéseket is levontak.

Cink mikrooszlop deformációja a pásztázó elektronmikroszkópban. A 8 μm-es oldalhosszúságú oszlopot egy lapos gyémánt fej segítségével nyomjuk össze. Megfigyelhető, hogy a deformáció hirtelen események során zajlik le, melyek egy-egy, a kristály orientációja által meghatározott irányú sávra koncentrálódnak. A grafikon egyrészt a kísérlet során mért erőt, valamint a mért akusztikus hangjelek gyakoriságával kapcsolatos paramétereket mutatja.

Megállapították ugyanis, hogy a deformációs események ugyanúgy viselkednek, mint a földrengések: a méretük eloszlását a szeizmológiában jól ismert egyetemes Gutenberg-Richter törvény írja le, és a miniatűr földrengéseket számos elő- és utórengés is övezi. Ha nagyon különböző fizikai rendszerek bizonyos körülmények között azonos viselkedést mutatnak, az univerzalitás jelenségének példájával állunk szemben. Az eredményeket erősíti, hogy a kísérletileg kapott viselkedést egyszerűsített modellrendszeren végzett numerikus szimulációkkal is sikerült reprodukálni.

,,Eredményeink gyakorlati jelentősége is nagy, hiszen a világon elsőként sikerült közvetlen kapcsolatot teremtenünk a mért akusztikus jelek és az azokat kiváltó deformációs mechanizmus között, az akusztikus jeleket pedig számos ipari alkalmazásban használják anyaghibák keresésére, valamint a szerkezeti anyagok állapotának vizsgálatára ” – mondja Ispánovity Péter Dusán.

A kutatócsoport tagjai

Groma István, az Anyagfizikai Tanszék professzora hozzátette: ,,A kutatás egészen új távlatokat nyit a területen, hiszen a jövőben a módszer számos különböző anyag esetén is alkalmazható. A Tanszéken kifejlesztett deformációs platform, amellyel a mikrooszlopok összenyomását végezték, minden szempontból felveszi a versenyt a piacon elérhető hasonló eszközökkel, sőt bizonyos tekintetben túl is szárnyalja azokat. A saját fejlesztésű eszköz legnagyobb értéke, hogy minden részletét pontosan ismerjük, és könnyen tudunk olyan hardveres vagy szoftveres változtatásokat eszközölni rajta, melyeket az adott speciális eset megkövetel.”

A kutatást az ELTE Anyagtudományi Kiválósági Programja támogatta, az eredményeket a Nature Communications folyóirat április 13-án közölte.

Forrás: elte.hu