Los científicos han mejorado en predecir dónde ocurrirán los terremotos, pero todavía no saben cuándo atacarán y cuán devastadores serán.

En la búsqueda de pistas que les ayuden a comprender mejor los terremotos, Los científicos de la Universidad de Pennsylvania están estudiando un fenómeno llamado envejecimiento. En el envejecimiento, cuanto más tiempo estén los materiales en contacto entre sí, se requiere más fuerza para moverlos. Esta resistencia se llama fricción estática. Cuanto más largo sea algo, como una falta, está sentado quieto, Cuanto más fricción estática se acumula y más fuerte se vuelve la falla.

Incluso cuando la falla permanece quieta, el movimiento tectónico todavía está ocurriendo; la tensión se acumula en la falla a medida que las placas se mueven hasta que finalmente se mueven tanto que exceden la fuerza de fricción estática y comienzan a deslizarse. Porque la culpa se hizo más fuerte con el tiempo, el estrés puede acumularse a grandes niveles, y luego se libera una gran cantidad de energía en forma de un poderoso terremoto.

"Este mecanismo de envejecimiento es fundamental en la base del comportamiento inestable de las fallas que provocan terremotos, "dijo Robert Carpick, el profesor John Henry Towne y presidente del Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecánica Aplicada de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Penn. "Si no tuvieras envejecimiento, entonces la falla se movería con mucha facilidad y, por lo tanto, se producirían terremotos mucho más pequeños con mayor frecuencia, o tal vez incluso un movimiento suave. El envejecimiento conduce a la aparición de infrecuentes, grandes terremotos que pueden ser devastadores ".

Los científicos han estado estudiando el movimiento de las fallas y el envejecimiento de los materiales geológicos a macroescala durante décadas. producir teorías y modelos fenomenológicos para describir sus resultados experimentales. Pero hay un problema cuando se trata de estos modelos.

"Los modelos no son fundamentales, no basado físicamente, lo que significa que no podemos derivar esos modelos de la física básica, "dijo Kaiwen Tian, estudiante de posgrado en la Facultad de Artes y Ciencias de Penn.

Pero un proyecto de Penn busca comprender la fricción de las rocas desde un punto de vista más físico a nanoescala.

En su artículo más reciente, publicado en Cartas de revisión física , los investigadores verificaron la primera teoría fundamental para describir el envejecimiento y explicar qué sucede cuando aumenta la carga.

La investigación fue dirigida por Tian y Carpick. David Goldsby, profesor asociado en el Departamento de Ciencias de la Tierra y el Medio Ambiente de Penn; Izabela Szlufarska, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Wisconsin-Madison; El ex alumno de la Universidad de Washington, Yun Liu; y Nitya Gosvami, ahora es profesor asistente en el Departamento de Mecánica Aplicada en IIT Delhi, también contribuyó al estudio.

El trabajo anterior del grupo encontró que la fricción estática es logarítmica con el tiempo. Eso significa que si los materiales están en contacto 10 veces más, luego, la fuerza de fricción necesaria para moverlos se duplica. Si bien los científicos habían visto este comportamiento de rocas y materiales geológicos a escala macroscópica, estos investigadores lo observaron a nanoescala.

En este nuevo estudio, los investigadores variaron la cantidad de fuerza normal sobre los materiales para averiguar cómo la carga afecta el comportamiento de envejecimiento.

"Esa es una pregunta muy importante porque la carga puede tener dos efectos, "Dijo Tian." Si aumentas la carga, aumentará el área de contacto. También puede afectar la presión local ".

Para estudiar esto, los investigadores utilizaron un microscopio de fuerza atómica para investigar la fuerza de unión donde se encuentran dos superficies. Utilizaron óxido de silicio porque es un componente principal de muchos materiales rocosos. El uso de la pequeña punta a nanoescala del AFM asegura que la interfaz esté compuesta por un único punto de contacto, facilitando la estimación de las tensiones y el área de contacto.

Pusieron una punta a nanoescala hecha de óxido de silicio en contacto con una muestra de óxido de silicio y la mantuvieron allí. Después de que pasó suficiente tiempo, deslizaron la punta y midieron la fuerza necesaria para iniciar el deslizamiento. Carpick dijo que esto es análogo a poner un bloque en el piso, dejándolo reposar un rato, y luego empujarlo y medir cuánta fuerza se necesita para que el bloque comience a moverse.

Observaron lo que sucedió cuando empujaron más fuerte en la dirección normal, aumentando la carga. Descubrieron que duplicaban la fuerza normal, y luego la fuerza de fricción requerida también se duplicó.

Explicarlo requería mirar con mucho cuidado el mecanismo que conduce a este aumento en la fuerza de fricción.

"La clave, "Carpick dijo, "es que mostramos en nuestros resultados cómo se combinan la dependencia de la fuerza de fricción en el tiempo de retención y la dependencia de la fuerza de fricción en la carga. Esto fue consistente con un modelo que asume que la fuerza de fricción está aumentando porque estamos obteniendo enlaces químicos que se forman en la interfaz, por lo que el número de esos vínculos aumenta con el tiempo. Y, cuando empujamos más fuerte, lo que estamos haciendo es aumentar el área de contacto entre la punta y la muestra, provocando que la fricción aumente con la fuerza normal ".

Antes de esta investigación, Se había sugerido que presionar más fuerte también podría hacer que esos lazos se formen más fácilmente.

Los investigadores encontraron que este no era el caso:en una buena aproximación, aumentar la fuerza normal simplemente aumenta la cantidad de contacto y el número de sitios donde los átomos pueden reaccionar.

En la actualidad, el grupo está mirando lo que sucede cuando la punta se asienta sobre la muestra durante períodos de tiempo muy cortos. Anteriormente, habían estado buscando tiempos de espera desde una décima de segundo hasta 100 segundos. Pero ahora miran escalas de tiempo incluso más cortas que una décima de segundo.

Al observar escalas de tiempo muy cortas, pueden obtener información sobre los detalles de la energía de los enlaces químicos para ver si algunos enlaces se pueden formar fácilmente y si otros tardan más en formarse. Estudiar los vínculos que se forman fácilmente es importante porque esos son los primeros vínculos que se forman y pueden proporcionar información sobre lo que sucede al comienzo del contacto.

Además de proporcionar una mejor comprensión de los terremotos, este trabajo podría conducir a nano-dispositivos más eficientes. Debido a que muchos micro y nanodispositivos están hechos de silicio, comprender la fricción es clave para que esos dispositivos funcionen sin problemas.

Pero, lo más importante, los investigadores esperan que en algún momento, una mejor comprensión del envejecimiento les permitirá predecir cuándo ocurrirán los terremotos.

"La ubicación de los terremotos se puede predecir bastante bien, "Carpick dijo, "pero es muy difícil predecir cuándo va a ocurrir un terremoto, y esto se debe en gran parte a que hay una falta de comprensión física de los mecanismos de fricción detrás de los terremotos. Tenemos un largo camino por recorrer para conectar este trabajo con los terremotos. Sin embargo, Este trabajo nos brinda información más fundamental sobre el mecanismo detrás de este envejecimiento y, a largo plazo, creemos que este tipo de conocimientos podrían ayudarnos a predecir mejor los terremotos y otros fenómenos de fricción ".