A 2022-es év egyik legérdekesebb felfedezésére az ELTE TTK Anyagfizikai Tanszékén elvégzett mikromechanikai kísérlet során derült fény. A fémek maradandó alakváltozása során lejátszódó mikroszkopikus deformációs lavinák tökéletes analógiát mutatnak a földrengésekkel. Ez a világ legkisebb földrengése!

Már korábban is megfigyelték a jelenséget! Tulajdonképpen már a múltban, pontosabban közel 80 éve is felismerték, hogy a fémek maradandó alakváltozását diszlokációk, azaz vonalszerű rácshibák hozzák létre. A felfedezést Orován Egon, Polányi Mihály, valamint Sir Geoffrey Ingram Taylor – érdekes módon – egymástól teljesen függetlenül ismerték fel. Rájöttek, hogy a fémek, amelyek alapvetően nagy számban tartalmaznak hibavonalakat, a maradandó alakváltozás folyamata közben akadályozzák egymást. Ennek az akadályozott állapotnak lesz az eredménye a deformálódás, amely egyfajta lavinaszerű folyamatot indít be, ezért is nevezhetjük ezt a folyamatot úgy, hogy a világ legkisebb földrengése.

Egy rendkívül korszerű felszerelés állt a kutatócsoport rendelkezésére.

Az ELTE fejlett technológiai berendezése is nagy szerepet játszott abban, hogy megvalósuljon ez a kísérlet, ugyanis olyan felszereléssel rendelkeznek, amely az alig néhány köbmikrométeres fém mintadarabokból származó rugalmas hullámokat is képes észlelni. A kísérletek nagy részét Ugi Dávid végezte, aki az Anyagfizikai Tanszék doktorjelöltje. Elmondása szerint egy rendkívül komplex kísérletről van szó, amely nagy odafigyelést, valamint fejlett labori körülményeket igényel. A kísérletek során össze kellett hangolni a nanométeres pontosságú manipuláló eszközt az akusztikus jelek érzékelésére szolgáló detektorral, mindezt az elektronmikroszkóp vákuumkamrájában amely jelenleg a világon csakis a kutatócsapat laborjában lehet kivitelezni.

Ispánovity Péter Dusán, a kutatócsoport vezetője, az ELTE Anyagfizikai Tanszék adjunktusa elmondta, hogy a felfedezett jelenség tulajdonképpen az úgynevezett akusztikus emisszió, ami lényegében annyit jelent, hogy a fém alakváltozása közben energia szabadul fel, amelynek egy része rugalmas hullámként távozik. Ez a folyamat hasonlítható a földrengés természeti jelenségéhez.

Közös együttműködés szükséges ahhoz, hogy szemmel látható eredményeket kapjunk!

Ahhoz, hogy jól szemügyre lehessen venni és nyomon tudják követni ezt a folyamatot, mikroszkopikus méretű mintákra van szükség. Ezekben kevés hibavonal található, ezért lesz sokkal nyomon követhetőbb a jelenség lefolyása.

A világ legkisebb földrengése vizuálisan is lekövethető, ugyanis a Központi Kutató és Ipari Kapcsolatok Centrum tulajdonában lévő pásztázó elektronmikroszkópját használták, valamint az ELTE Mikromechanika és Multiskálás Modellezés Kutatócsoportja közös erővel, a Prágában található Károly Egyetem munkatársaival, néhány mikrométer méretű cink egykristály oszlopokat készítettek. Az oszlopok készítése során fókuszált ionsugaras technikát használtak. (Egy hajszál tipikus átmérője 75 μm.) A jelenség előidézése érdekében az úgynevezett mikrooszlopokat a mikroszkóp vákuumkamrájában összenyomták, így vált láthatóvá a lavinajelenség.

A világ legkisebb földrengése után más sikerek is jöttek a kutatók számára!

Alapvetően a detektált akusztikus jelek az ultrahang tartományába esnek, így az emberi fül számára nem észlelhetőek azok. Azonban a kutatók hallhatóvá tették ezeket, amelynek következtében számtalan következtetést le tudtak vonni a kísérlet kapcsán. Erre korábban még nem volt példa, hiszen nem sikerült egészen eddig direkt kapcsolatot teremteni a deformációs folyamat, illetve a hangjelek között. Az akusztikus jelek és a deformációs mechanizmus közötti közvetlen kapcsolat hallhatósága többek között, ipari alkalmazásban lesz nagy segítség.

Az alábbi videón egy mikrooszlop összenyomása látható. Mivel a detektált akusztikus jelek az ultrahang tartományába esnek (így az emberi fül számára nem érzékelhetőek), a kutatók ezeket hallhatóvá tették. A hangjelek puszta detektálása már önmagában is figyelemreméltó eredmény, hiszen korábban nem sikerült direkt kapcsolatot teremteni a hangjelek és az azokat kiváltó deformációs folyamatok között. A kutatók azonban az akusztikus jelekből további fontos következtetéseket is levontak.

Megállapították ugyanis, hogy a deformációs események ugyanúgy viselkednek, mint a földrengések: a méretük eloszlását a szeizmológiában jól ismert egyetemes Gutenberg-Richter törvény írja le, és a miniatűr földrengéseket számos elő- és utórengés is övezi. Ha nagyon különböző fizikai rendszerek bizonyos körülmények között azonos viselkedést mutatnak, az univerzalitás jelenségének példájával állunk szemben. Az eredményeket erősíti, hogy a kísérletileg kapott viselkedést egyszerűsített modellrendszeren végzett numerikus szimulációkkal is sikerült reprodukálni. Remek hír, hogy a világ legkisebb földrengése immár felfedezettnek számít, de más számtalan ajtót is megnyitott ez a kísérlet!

A világon elsőként sikerült közvetlen kapcsolatot teremteni a mért akusztikus jelek és az azokat kiváltó deformációs mechanizmus között.

Az akusztikus jeleket számos ipari alkalmazásban használják anyaghibák keresésére, valamint a szerkezeti anyagok állapotának vizsgálatára. Groma István, az Anyagfizikai Tanszék professzorának elmondása szerint, azért is nagy előrelépés ez a kutatás, mert a jövőben más anyagok tesztelését is elvégezhetik hasonló módon, amelyre korábban még nem volt lehetőség. A tanszéken kifejlesztett deformációs platform, amellyel a mikrooszlopok összenyomását végezték, minden szempontból felveszi a versenyt a piacon elérhető hasonló eszközökkel. Sőt bizonyos tekintetben túl is szárnyalja azokat. A saját fejlesztésű eszköz legnagyobb értéke, hogy minden részletét pontosan ismerik és könnyen tudnak olyan hardveres vagy szoftveres változtatásokat eszközölni rajta, melyeket egy adott speciális eset megkövetel.