Теперь материаловеды могут использовать данные об очень распространенном минерале и хорошо известную статистику землетрясений и лавин для количественной оценки того, как взаимодействие с окружающей средой может повлиять на деградацию и разрушение материалов, используемых для современных солнечных батарей, геологического связывания углерода и инфраструктуры, такой как здания, дороги и мосты.
Новое исследование, проведенное Университетом Иллинойса Урбана-Шампейн, показывает, что объем деформации, вызванной напряжением, приложенным к поверхности мусковита (калиевая слюда), контролируется физическим состоянием поверхности минерала и следует той же статистической динамике, которая наблюдается при землетрясениях и сходе лавин. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Выбирая материалы для строительства, ученые хотят знать, как поверхность материала будет взаимодействовать с окружающей средой, в которой он будет использоваться. Аналогичным образом геологи хотят понять, как химические реакции между минералами и грунтовыми водами вдоль разломов могут медленно ослаблять горные породы и приводить к быстрому механическому разрушению в результате эрозии.
«В то время как предыдущие попытки количественно оценить эффект эрозии в материалах опирались на сложные модели молекулярной динамики, требующие значительных вычислительных ресурсов, наша работа подчеркивает связь между лабораторными экспериментами и реальными явлениями, такими как землетрясения», — говорит аспирант Джордан Сикл, возглавивший исследование.
«Мусковит был выбран для этого исследования главным образом из-за чрезвычайной плоскости этого материала», — говорит Сикл. «Каждый из его чешуйчатых слоев плоский вплоть до атомного уровня. Из-за этого взаимодействие между поверхностью этого материала и окружающей средой особенно важно».
Чтобы измерить деформацию на поверхности мусковита, образцы подвергали различным химическим воздействиям — сухим, погруженным в деионизированную воду и в солевые растворы с pH 9,8 и 12. Во время воздействия прибор, известный как наноиндентор, протыкал поверхность минералов и регистрировал смещения или разрушения материала при контролируемых механических нагрузках.
Исследователи обнаружили, что в сухих условиях мусковит может деформироваться сильнее, чем во влажных. При разрушении образцы в каждом состоянии высвобождают накопленную упругую энергию. Когда мусковит подвергается воздействию основного раствора с pH 9,8 или 12, верхний слой ослабевает, и до разрушения успевает накопиться меньше энергии, что отражается в статистике разрывов.
«Результаты этой работы позволяют проверять разрушение материалов быстрее, чем мощные и детальные имитационные модели», — заключили ученые. «Показав, что можно наблюдать те же результаты, используя статистические модели, уже существующие для землетрясений, мы сможем проводить более эффективный анализ материалов, чем это было возможно ранее».
[Фото: Karin Dahmin / University of Illinois Urbana-Champaign]
