Az ELTE TTK Anyagfizikai Tanszékén végzett mikromechanikai kísérletek során kiderült, hogy a fémek maradandó alakváltozása során lejátszódó mikroszkopikus deformációs lavinák tökéletes analógiát mutatnak a földrengésekkel. A felfedezést az ELTE egyedülálló kísérleti berendezése tette lehetővé, mely képes érzékelni a néhány köbmikrométeres fém mintadarabokból érkező rugalmas hullámokat.

Közel 80 éve Orován Egon, Polányi Mihály és Sir Geoffrey Ingram Taylor egymástól függetlenül ismerték fel, hogy a fémek maradandó alakváltozását vonalszerű rácshibák, ún. diszlokációk hozzák létre (lásd ábra). A hibavonalak – amelyeket a fémek általában igen nagy számban tartalmaznak – az alakváltozás során akadályozzák egymás mozgását, ez pedig az anyagban akadozó deformálódást, lavinaszerű viselkedést eredményez.

A lavinajelenségek során energia szabadul fel, melynek jelentős része – a földrengésekhez hasonló módon – rugalmas hullámok formájában távozik. Ez az ún. akusztikus emisszió jelensége.

– magyarázza Ispánovity Péter Dusán, az ELTE Anyagfizikai Tanszék adjunktusa, a kutatócsoport vezetője.

A jelenséget mikroszkopikus méretű mintadarabokon figyelhetjük meg legkönnyebben, mivel ezekben kevés hibavonal található. Éppen ezért az ELTE Mikromechanika és Multiskálás Modellezés Kutatócsoportja együttműködésben a prágai Károly Egyetem munkatársaival néhány mikrométer méretű cink egykristály oszlopokat készített fókuszált ionsugaras technikával. (Összehasonlításul: egy hajszál tipikus átmérője 75 μm.) Ehhez a Központi Kutató és Ipari Kapcsolatok Centrum pásztázó elekronmikroszkópját vették igénybe. Az így előállított ún. mikrooszlopokat a mikroszkóp vákuumkamrájában összenyomták, hogy a folyamatot vizuálisan is követhessék.

Rendkívül összetett kísérletekről van szó, melynek során össze kellett hangolnunk a nanométeres pontosságú manipuláló eszközt az akusztikus jelek érzékelésére szolgáló detektorral, mindezt az elektronmikroszkóp vákuumkamrájában. Ennek a komplex mérésnek az elvégzésére jelen pillanatban az egész világon csak a mi laboratóriumunkban van lehetőség.

–mondta el a kísérletek zömét végző Ugi Dávid, az Anyagfizikai Tanszék doktorjelöltje

A csatolt 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.

Eredményeink gyakorlati jelentősége is nagy, hiszen a világon elsőként sikerült közvetlen kapcsolatot teremtenünk a mért akusztikus jelek és az azokat kiváltó deformációs mechanizmus között, az akusztikus jeleket pedig számos ipari alkalmazásban használják anyaghibák keresésére, valamint a szerkezeti anyagok állapotának vizsgálatára.

– mondja Ispánovity Péter Dusán.

Groma István, az Anyagfizikai Tanszék professzora hozzátette: ,,A kutatás egészen új távlatokat nyit a területen, hiszen a jövőben a módszer számos különböző anyag esetén is alkalmazható. 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 ismerjük, és könnyen tudunk olyan hardveres vagy szoftveres változtatásokat eszközölni rajta, melyeket az adott speciális eset megkövetel.”

A kutatást az ELTE Anyagtudományi Kiválósági Programja támogatta, az eredményeket a Nature Communications folyóirat április 13-án közölte.