Door muscoviet mica te bestuderen en de statistische dynamiek van aardbevingen en lawines toe te passen, hebben materiaalwetenschappers een nieuwe manier ontdekt om materiële degradatie en falen te voorspellen. Het onderzoek heeft belangrijke implicaties voor geavanceerde zonnepanelen, geologische koolstofvastlegging en de bouwsector.
Nu gebruiken materiaalwetenschappers inzicht in gewone mineralen en statistieken over aardbevingen en lawines om te meten hoe barre omgevingsomstandigheden de afbraak en het falen van materialen beïnvloeden. Deze aanpak zou de duurzaamheid van geavanceerde zonnepanelen, koolstofopslagsystemen en infrastructuur zoals gebouwen, wegen en bruggen kunnen verbeteren.
Het nieuwe onderzoek, geleid door de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign in samenwerking met Sandia National Laboratories en Bucknell University, onthult dat de hoeveelheid vervorming die wordt veroorzaakt door spanning op het oppervlak van muskusmica afhankelijk is van de fysieke oppervlaktecondities van het mineraal en soortgelijke statistische patronen volgt als aardbevingen en lawines.
Het onderzoek wordt vandaag (6 november) gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.
Bij het selecteren van materialen voor technische toepassingen willen wetenschappers de interactie begrijpen tussen het oppervlak van het materiaal en de omgeving waarin het zal worden gebruikt. Op dezelfde manier willen geologen begrijpen hoe chemische reacties tussen mineralen en grondwater langs breuklijnen gesteente langzaam kunnen verzwakken en tot snelle mechanische schade kunnen leiden in een proces dat chemomechanische verzwakking wordt genoemd.
Afgestudeerde student Jordan Sickle leidde het onderzoek samen met hoogleraar natuurkunde Karin Dahmen uit Illinois.
"Moskoviet werd voor dit onderzoek vooral gekozen omdat dit materiaal erg plat is", zei Dahmen. "Elk van zijn lamellen is afgevlakt tot op atomair niveau. Vanwege deze vlakheid is de interactie tussen het oppervlak van het materiaal en zijn omgeving bijzonder belangrijk." "
Om de chemisch-mechanische verzwakking van het muscovietoppervlak te meten, stelde Sandia National Laboratories de monsters bloot aan verschillende chemische omstandigheden: drogen, onderdompeling in gedeïoniseerd water en zoutoplossingen met pH-waarden van 9,8 en 12. Tijdens de blootstelling prikt een instrument, een nano-indenter genaamd, door het oppervlak van het mineraal en registreert de verplaatsing of het falen van het materiaal onder gecontroleerde mechanische belasting.
De onderzoekers ontdekten dat muscoviet onder droge omstandigheden in grotere mate vervormde voordat het bezweek dan onder natte omstandigheden. Bij falen geeft het monster in elke toestand zijn opgeslagen elastische energie vrij. De studie meldt dat wanneer muscoviet wordt blootgesteld aan alkalische oplossingen met een pH van 9,8 of 12, de oppervlaktelaag verzwakt en er minder energie kan worden opgeslagen voordat er breuk optreedt, wat tot uiting komt in burst-statistieken.
"De resultaten van dit werk stellen onderzoekers in staat materialen sneller op falen te testen dan met krachtige, gedetailleerde simulatiemodellen", aldus Sickle. "Door aan te tonen dat we dezelfde resultaten kunnen waarnemen met behulp van reeds bestaande statistische modellen van aardbevingen, zullen onderzoekers materiaalanalyses met een hogere doorvoer kunnen uitvoeren dan voorheen mogelijk was."
Samengesteld uit /ScitechDaily