地震预测技术可快速洞察材料失效分析

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材料科学家现在可以利用从非常常见的矿物中获得的见解以及完善的地震和雪崩统计数据来量化恶劣的环境相互作用如何影响用于先进太阳能电池板、地质碳封存和建筑物、道路和桥梁等基础设施的材料的退化和失效。
这项由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校与桑迪亚国家实验室和巴克内尔大学合作开展的新研究表明，对白云母表面局部施加应力所引起的变形量受矿物表面的物理状况控制，并遵循在地震和雪崩中观察到的相同统计动力学。
该研究成果发表在《自然通讯》杂志上。
在为工程应用选择材料时，科学家想知道材料的表面将如何与其使用环境相互作用。同样，地质学家也希望了解断层沿线的矿物和地下水之间的化学反应如何缓慢地削弱岩石，并导致由于化学机械弱化过程而迅速爆发机械故障。
“虽然以前量化工程材料中化学机械弱化影响的尝试依赖于需要大量计算资源的复杂分子动力学模型，但我们的工作强调了实验室实验与地震等现实世界现象之间的桥梁，”研究生乔丹西克尔 (Jordan Sickle) 说，他与伊利诺伊州物理学教授卡琳达曼 (Karin Dahmen) 共同领导了这项研究。
“之所以选择白云母作为研究对象，主要是因为这种材料极其平坦，”达曼说。“它的每一层片状材料都平坦到原子水平。由于这种材料非常平坦，因此其表面与周围环境之间的相互作用尤为重要。”
为了测量白云母表面的化学机械弱化，桑迪亚国家实验室将样品暴露在不同的化学条件下——干燥、浸没在去离子水中以及 pH 值为 9.8 和 12 的盐溶液中。在暴露过程中，一种称为纳米压痕仪的仪器戳矿物表面并记录材料在受控机械载荷下的位移或故障。
研究人员发现，在干燥条件下，白云母在破裂前变形比在潮湿条件下更大。破裂时，每种条件下的样品都会释放其储存的弹性能量。研究报告称，当白云母暴露于 pH 值为 9.8 或 12 的碱性溶液中时，顶层会变弱，在破裂前可以储存的能量更少，这反映在爆裂统计数据中。
西克尔说：“这项研究的成果使研究人员能够比高性能、详细的模拟模型更快地测试材料故障。”
“通过证明我们可以使用现有的地震统计模型观察到相同的结果，研究人员将能够进行比以前更高通量的材料分析。”