Os cientistas ficaram melhores em prever onde ocorrerão terremotos, mas ainda não sabem quando vão atacar e quão devastadores serão.

Na busca por pistas que os ajudem a entender melhor os terremotos, cientistas da Universidade da Pensilvânia estão estudando um fenômeno chamado envelhecimento. No envelhecimento, quanto mais tempo os materiais ficam em contato uns com os outros, mais força é necessária para movê-los. Essa resistência é chamada de atrito estático. Quanto mais longo, como uma falha, está sentado quieto, quanto mais atrito estático se acumula e mais forte fica a falha.

Mesmo quando a falha permanece parada, o movimento tectônico ainda está ocorrendo; a tensão se acumula na falha à medida que as placas se deslocam até que, finalmente, mudam tanto que excedem a força de atrito estático e começam a deslizar. Porque a falha ficou mais forte com o tempo, o estresse pode chegar a grandes níveis, e uma grande quantidade de energia é então liberada na forma de um poderoso terremoto.

"Este mecanismo de envelhecimento é fundamental para o comportamento instável de falhas que levam a terremotos, "disse Robert Carpick, o professor John Henry Towne e presidente do Departamento de Engenharia Mecânica e Mecânica Aplicada da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Penn. "Se você não tivesse envelhecimento, então a falha se moveria muito facilmente e você teria terremotos muito menores acontecendo com mais frequência, ou talvez apenas um movimento suave. O envelhecimento leva à ocorrência de infrequentes, grandes terremotos que podem ser devastadores. "

Os cientistas vêm estudando o movimento de falhas e envelhecimento em materiais geológicos em macroescala há décadas, produzindo teorias fenomenológicas e modelos para descrever seus resultados experimentais. Mas há um problema quando se trata desses modelos.

“Os modelos não são fundamentais, não fisicamente baseado, o que significa que não podemos derivar esses modelos da física básica, "disse Kaiwen Tian, um estudante de graduação na Escola de Artes e Ciências da Penn.

Mas um projeto baseado em Penn busca entender o atrito das rochas de um ponto de vista mais físico em nanoescala.

Em seu artigo mais recente, publicado em Cartas de revisão física , os pesquisadores verificaram a primeira teoria fundamental para descrever o envelhecimento e explicar o que acontece quando a carga aumenta.

A pesquisa foi liderada por Tian e Carpick. David Goldsby, um professor associado do Departamento de Ciências da Terra e Ambientais da Penn; Izabela Szlufarska, professor de ciência de materiais e engenharia da Universidade de Wisconsin-Madison; O ex-aluno da UW, Yun Liu; e Nitya Gosvami, agora um professor assistente no Departamento de Mecânica Aplicada no IIT Delhi, também contribuíram para o estudo.

Trabalhos anteriores do grupo descobriram que o atrito estático é logarítmico com o tempo. Isso significa que se os materiais ficarem em contato por 10 vezes mais, então, a força de atrito necessária para movê-los dobra. Embora os cientistas tenham visto esse comportamento de rochas e materiais geológicos em escala macroscópica, esses pesquisadores observaram em nanoescala.

Neste novo estudo, os pesquisadores variaram a quantidade de força normal nos materiais para descobrir como a carga afeta o comportamento de envelhecimento.

"Essa é uma questão muito importante porque a carga pode ter dois efeitos, "Disse Tian." Se você aumentar a carga, você aumentará a área de contato. Também pode afetar a pressão local. "

Para estudar isso, os pesquisadores usaram um microscópio de força atômica para investigar a força de ligação onde duas superfícies se encontram. Eles usaram óxido de silício porque é o principal componente de muitos materiais rochosos. O uso da pequena ponta em nanoescala do AFM garante que a interface seja composta por um único ponto de contato, tornando mais fácil estimar as tensões e a área de contato.

Eles colocaram uma ponta em nanoescala feita de óxido de silício em contato com uma amostra de óxido de silício e a mantiveram lá. Depois de passar bastante tempo, eles deslizaram a ponta e mediram a força necessária para iniciar o deslizamento. Carpick disse que isso é análogo a colocar um bloco no chão, deixar descansar por um tempo, e então empurrando e medindo quanta força é necessária para o bloco começar a se mover.

Eles observaram o que aconteceu quando empurraram com mais força na direção normal, aumentando a carga. Eles descobriram que dobraram a força normal, e então a força de atrito necessária também dobrou.

Explicá-lo exigia observar com muito cuidado o mecanismo que conduz a esse aumento na força de atrito.

"A chave, "Carpick disse, "é que mostramos em nossos resultados como a dependência da força de atrito no tempo de retenção e a dependência da força de atrito na combinação de carga. Isso foi consistente com um modelo que assume que a força de atrito está aumentando porque estamos obtendo ligações químicas se formando na interface, portanto, o número desses títulos aumenta com o tempo. E, quando pressionamos mais forte, o que estamos fazendo é aumentar a área de contato entre a ponta e a amostra, fazendo com que o atrito aumente com a força normal. "

Antes desta pesquisa, sugeriu-se que empurrar com mais força também poderia fazer com que esses laços se formassem mais facilmente.

Os pesquisadores descobriram que esse não era o caso:para uma boa aproximação, aumentar a força normal simplesmente aumenta a quantidade de contato e o número de locais onde os átomos podem reagir.

Atualmente, o grupo está observando o que acontece quando a ponta fica na amostra por períodos muito curtos de tempo. Anteriormente, eles procuravam tempos de espera de um décimo de segundo a até 100 segundos. Mas agora eles estão olhando para escalas de tempo ainda menores do que um décimo de segundo.

Ao observar escalas de tempo muito curtas, eles podem obter insights sobre os detalhes da energética das ligações químicas para ver se algumas ligações podem se formar facilmente e se outras demoram mais para se formar. É importante estudar os vínculos que se formam com facilidade porque esses são os primeiros vínculos a se formar e podem fornecer uma visão sobre o que acontece logo no início do contato.

Além de fornecer uma melhor compreensão dos terremotos, este trabalho pode levar a nano-dispositivos mais eficientes. Como muitos micro e nano dispositivos são feitos de silício, entender o atrito é a chave para fazer com que esses dispositivos funcionem com mais suavidade.

Mas, mais importante, os pesquisadores esperam que em algum momento, uma melhor compreensão do envelhecimento lhes permitirá prever quando ocorrerão terremotos.

"Locais de terremotos podem ser previstos muito bem, "Carpick disse, "mas quando um terremoto vai acontecer é muito difícil de prever, e isso ocorre principalmente porque há uma falta de compreensão física dos mecanismos de atrito por trás dos terremotos. Temos um longo caminho a percorrer para conectar este trabalho aos terremotos. Contudo, este trabalho nos dá uma visão mais fundamental sobre o mecanismo por trás desse envelhecimento e, a longo prazo, achamos que esse tipo de percepção pode nos ajudar a prever melhor terremotos e outros fenômenos de atrito. "