Gli scienziati sono migliorati nel prevedere dove si verificheranno i terremoti, ma non sanno ancora quando colpiranno e quanto saranno devastanti.

Alla ricerca di indizi che li aiutino a comprendere meglio i terremoti, scienziati dell'Università della Pennsylvania stanno studiando un fenomeno chiamato invecchiamento. Nell'invecchiamento, più a lungo i materiali sono in contatto tra loro, maggiore è la forza necessaria per spostarli. Questa resistenza è chiamata attrito statico. Il più lungo qualcosa, come una colpa, è seduto fermo, più si accumula l'attrito statico e più forte diventa l'errore.

Anche quando la colpa rimane ferma, il movimento tettonico è ancora in corso; lo stress si accumula nella faglia mentre le piastre si spostano fino a quando alla fine si spostano così tanto da superare la forza di attrito statico e iniziare a scivolare. Perché la colpa è cresciuta più forte con il tempo, lo stress può accumularsi a livelli elevati, e un'enorme quantità di energia viene quindi rilasciata sotto forma di un potente terremoto.

"Questo meccanismo di invecchiamento è fondamentale per soggiacere al comportamento instabile delle faglie che portano a terremoti, " ha detto Robert Carpick, il John Henry Towne Professor e presidente del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Meccanica Applicata della Penn's School of Engineering and Applied Science. "Se non avessi l'invecchiamento, quindi la faglia si sposterebbe molto facilmente e quindi otterresti terremoti molto più piccoli che si verificano più frequentemente, o forse anche solo un movimento fluido. L'invecchiamento porta al verificarsi di rari, grandi terremoti che possono essere devastanti".

Gli scienziati studiano da decenni il movimento delle faglie e l'invecchiamento dei materiali geologici su macroscala, produrre teorie e modelli fenomenologici per descrivere i loro risultati sperimentali. Ma c'è un problema quando si tratta di questi modelli.

"I modelli non sono fondamentali, non basato fisicamente, il che significa che non possiamo derivare quei modelli dalla fisica di base, "ha detto Kaiwen Tian, uno studente laureato alla Penn's School of Arts &Sciences.

Ma un progetto con sede a Penn cerca di comprendere l'attrito delle rocce da un punto di vista più fisico su scala nanometrica.

Nel loro articolo più recente, pubblicato in Lettere di revisione fisica , i ricercatori hanno verificato la prima teoria fondamentale per descrivere l'invecchiamento e spiegare cosa succede quando il carico aumenta.

La ricerca è stata condotta da Tian e Carpick. David Goldsby, un professore associato nel Dipartimento di Scienze della Terra e dell'Ambiente a Penn; Izabela Szlufarska, un professore di scienza e ingegneria dei materiali presso l'Università del Wisconsin-Madison; Yun Liu, alunno della UW; e Nitya Gosvami, ora assistente professore presso il Dipartimento di Meccanica Applicata all'IIT Delhi, anche contribuito allo studio.

Il lavoro precedente del gruppo ha scoperto che l'attrito statico è logaritmico con il tempo. Ciò significa che se i materiali sono a contatto per 10 volte più a lungo, quindi la forza di attrito necessaria per spostarli raddoppia. Mentre gli scienziati avevano visto questo comportamento delle rocce e dei materiali geologici su scala macroscopica, questi ricercatori lo hanno osservato su scala nanometrica.

In questo nuovo studio, i ricercatori hanno variato la quantità di forza normale sui materiali per scoprire come il carico influisce sul comportamento di invecchiamento.

"Questa è una domanda molto importante perché il carico può avere due effetti, " Ha detto Tian. "Se aumenti il ​​carico, aumenterai l'area di contatto. Può anche influenzare la pressione locale".

Per studiare questo, i ricercatori hanno utilizzato un microscopio a forza atomica per studiare la forza del legame nel punto in cui due superfici si incontrano. Hanno usato l'ossido di silicio perché è un componente primario di molti materiali rocciosi. L'utilizzo della piccola punta su scala nanometrica dell'AFM garantisce che l'interfaccia sia composta da un unico punto di contatto, facilitando la stima delle sollecitazioni e dell'area di contatto.

Hanno portato una punta su scala nanometrica fatta di ossido di silicio a contatto con un campione di ossido di silicio e lo hanno tenuto lì. Dopo che è passato abbastanza tempo, hanno fatto scivolare la punta e misurato la forza necessaria per iniziare lo scorrimento. Carpick ha detto che è come mettere un blocco sul pavimento, lasciandolo riposare per un po', e poi spingendolo e misurando quanta forza ci vuole perché il blocco inizi a muoversi.

Hanno osservato cosa è successo quando hanno spinto più forte nella direzione normale, aumentando il carico. Hanno scoperto che hanno raddoppiato la forza normale, e quindi anche la forza di attrito richiesta è raddoppiata.

Per spiegarlo è stato necessario esaminare molto attentamente il meccanismo che porta a questo aumento della forza di attrito.

"Il tasto, "Carpick ha detto, "abbiamo mostrato nei nostri risultati come la dipendenza della forza di attrito dal tempo di tenuta e la dipendenza della forza di attrito dal carico si combinano. Ciò era coerente con un modello che presuppone che la forza di attrito stia aumentando perché stiamo ottenendo legami chimici che si formano all'interfaccia, quindi il numero di quei legami aumenta con il tempo. E, quando spingiamo più forte, quello che stiamo facendo è aumentare l'area di contatto tra la punta e il campione, causando l'aumento dell'attrito con la forza normale."

Prima di questa ricerca, è stato suggerito che spingere più forte potrebbe anche far sì che quei legami si formino più facilmente.

I ricercatori hanno scoperto che non era così:con buona approssimazione, aumentando la forza normale aumenta semplicemente la quantità di contatto e il numero di siti in cui gli atomi possono reagire.

Attualmente, il gruppo sta osservando cosa succede quando la punta si trova sul campione per periodi di tempo molto brevi. In precedenza avevano osservato tempi di attesa da un decimo di secondo fino a 100 secondi. Ma ora stanno esaminando tempistiche anche più brevi di un decimo di secondo.

Considerando tempi molto brevi, possono ottenere approfondimenti sui dettagli dell'energia dei legami chimici per vedere se alcuni legami possono formarsi facilmente e se altri impiegano più tempo a formarsi. Studiare i legami che si formano facilmente è importante perché questi sono i primi legami che si formano e potrebbero fornire informazioni su ciò che accade all'inizio del contatto.

Oltre a fornire una migliore comprensione dei terremoti, questo lavoro potrebbe portare a nanodispositivi più efficienti. Poiché molti micro e nano dispositivi sono realizzati in silicio, comprendere l'attrito è la chiave per far funzionare questi dispositivi in ​​modo più fluido.

Ma, più importante, i ricercatori sperano che da qualche parte in futuro, una migliore comprensione dell'invecchiamento consentirà loro di prevedere quando si verificheranno i terremoti.

"Le posizioni dei terremoti possono essere previste abbastanza bene, "Carpick ha detto, "ma quando sta per accadere un terremoto è molto difficile da prevedere, e questo è in gran parte dovuto alla mancanza di comprensione fisica dei meccanismi di attrito dietro i terremoti. Abbiamo molta strada da fare per collegare questo lavoro ai terremoti. Però, questo lavoro ci fornisce informazioni più fondamentali sul meccanismo alla base di questo invecchiamento e, a lungo termine, pensiamo che questo tipo di intuizioni potrebbe aiutarci a prevedere meglio i terremoti e altri fenomeni di attrito".