Forskare har blivit bättre på att förutsäga var jordbävningar kommer att inträffa, men de är fortfarande i mörkret om när de kommer att slå till och hur förödande de kommer att vara.

I sökandet efter ledtrådar som hjälper dem att bättre förstå jordbävningar, forskare vid University of Pennsylvania studerar ett fenomen som kallas åldrande. I åldrandet, ju längre material är i kontakt med varandra, desto mer kraft krävs för att flytta dem. Detta motstånd kallas statisk friktion. Ju längre något, som ett fel, sitter still, ju mer statisk friktion byggs upp och desto starkare blir felet.

Även när felet kvarstår, tektonisk rörelse pågår fortfarande; spänningen byggs upp i felet när plattorna skiftar tills de slutligen skiftar så mycket att de överskrider den statiska friktionskraften och börjar glida. Eftersom felet blev starkare med tiden, stressen kan byggas upp till stora nivåer, och en enorm mängd energi frigörs sedan i form av ett kraftigt skalv.

"Denna åldrande mekanism är avgörande för det instabila beteendet hos fel som leder till jordbävningar, sa Robert Carpick, John Henry Towne professor och ordförande för institutionen för maskinteknik och tillämpad mekanik vid Penns School of Engineering and Applied Science. "Om du inte hade åldrande, då skulle felet flytta sig väldigt lätt och så att du skulle få mycket mindre jordbävningar som inträffar oftare, eller kanske bara mjuk rörelse. Åldrande leder till förekomsten av sällsynta, stora jordbävningar som kan vara förödande."

Forskare har studerat rörelsen av förkastningar och åldrande i geologiska material på makroskala i decennier, producera fenomenologiska teorier och modeller för att beskriva deras experimentella resultat. Men det finns ett problem när det kommer till dessa modeller.

"Modellerna är inte grundläggande, inte fysiskt baserad, vilket betyder att vi inte kan härleda dessa modeller från grundläggande fysik, sa Kaiwen Tian, en doktorand vid Penn's School of Arts &Sciences.

Men ett Penn-baserat projekt försöker förstå friktionen hos stenar från en mer fysisk synvinkel på nanoskala.

I deras senaste tidning, publicerad i Fysiska granskningsbrev , forskarna verifierade den första grundläggande teorin för att beskriva åldrande och förklara vad som händer när belastningen ökar.

Forskningen leddes av Tian och Carpick. David Goldsby, en docent vid institutionen för jord- och miljövetenskap i Penn; Izabela Szlufarska, en professor i materialvetenskap och ingenjörskonst vid University of Wisconsin-Madison; UW alumn Yun Liu; och Nitya Gosvami, nu biträdande professor vid institutionen för tillämpad mekanik vid IIT Delhi, bidrog också till studien.

Tidigare arbete från gruppen fann att statisk friktion är logaritmisk med tiden. Det betyder att om material är i kontakt 10 gånger längre, då fördubblas friktionskraften som krävs för att flytta dem. Medan forskare hade sett detta beteende hos stenar och geologiska material i makroskopisk skala, dessa forskare observerade det på nanoskala.

I denna nya studie, forskarna varierade mängden normalkraft på materialen för att ta reda på hur belastningen påverkar åldrandet.

"Det är en mycket viktig fråga eftersom belastning kan ha två effekter, " sa Tian. "Om du ökar belastningen, du kommer att öka kontaktytan. Det kan också påverka det lokala trycket."

För att studera detta, forskarna använde ett atomkraftmikroskop för att undersöka bindningsstyrkan där två ytor möts. De använde kiseloxid eftersom det är en primär komponent i många stenmaterial. Genom att använda den lilla nanoskaliga spetsen på AFM säkerställs att gränssnittet består av en enda kontaktpunkt, vilket gör det lättare att uppskatta spänningar och kontaktyta.

De tog en nanoskala spets gjord av kiseloxid i kontakt med ett kiseloxidprov och höll den där. Efter att tillräckligt med tid gått, de gled spetsen och mätte kraften som krävdes för att initiera glidningen. Carpick sa att detta är analogt med att sätta ett block på golvet, låter det sitta en stund, och sedan trycka på den och mäta hur mycket kraft som krävs för att blocket ska börja röra sig.

De observerade vad som hände när de tryckte hårdare i den normala riktningen, öka belastningen. De upptäckte att de fördubblade normalkraften, och då fördubblades också den erforderliga friktionskraften.

Att förklara det krävde att man tittade mycket noggrant på mekanismen som ledde till denna ökning av friktionskraften.

"Nyckeln, " Carpick sa, "Visade vi i våra resultat hur friktionskraftens beroende av hålltiden och beroendet av friktionskraften på lasten kombineras. Detta överensstämde med en modell som antar att friktionskraften ökar eftersom vi får kemiska bindningar som bildas vid gränsytan, så antalet av dessa obligationer ökar med tiden. Och, när vi pressar hårdare, vad vi gör är att öka kontaktytan mellan spetsen och provet, får friktionen att öka med normal kraft."

Före denna forskning, det hade föreslagits att om man trycker hårdare också kan dessa bindningar bildas lättare.

Forskarna fann att så inte var fallet:till en bra uppskattning, ökning av normalkraften ökar helt enkelt mängden kontakt och antalet platser där atomer kan reagera.

För närvarande, gruppen tittar på vad som händer när spetsen sitter på provet under mycket korta tider. Tidigare hade de tittat på hålltider från en tiondels sekund till så mycket som 100 sekunder. Men nu tittar de på tidsskalor som är ännu kortare än en tiondels sekund.

Genom att titta på mycket korta tidsskalor, de kan få insikter i detaljerna i de kemiska bindningarnas energi för att se om vissa bindningar lätt kan bildas och om andra tar längre tid att bilda. Att studera band som lätt bildas är viktigt eftersom det är de första banden som bildas och kan ge insikt i vad som händer i början av kontakten.

Förutom att ge en bättre förståelse för jordbävningar, detta arbete kan leda till effektivare nano-enheter. Eftersom många mikro- och nanoenheter är gjorda av kisel, att förstå friktion är nyckeln till att få dessa enheter att fungera smidigare.

Men, Viktigast av allt, forskarna hoppas att någonstans längre fram, en bättre förståelse för åldrande kommer att göra det möjligt för dem att förutsäga när jordbävningar kommer att inträffa.

"Jordbävningsplatser kan förutsägas ganska bra, " Carpick sa, "men när en jordbävning kommer att inträffa är mycket svårt att förutsäga, och detta beror till stor del på att det saknas fysisk förståelse för friktionsmekanismerna bakom jordbävningarna. Vi har långt kvar att koppla detta arbete till jordbävningar. Dock, detta arbete ger oss mer grundläggande insikter om mekanismen bakom detta åldrande och, i längden, vi tror att den här typen av insikter kan hjälpa oss att förutsäga jordbävningar och andra friktionsfenomen bättre."