Les scientifiques sont devenus meilleurs pour prédire où les tremblements de terre se produiront, mais ils ne savent toujours pas quand ils frapperont et à quel point ils seront dévastateurs.

A la recherche d'indices qui les aideront à mieux comprendre les séismes, des scientifiques de l'Université de Pennsylvanie étudient un phénomène appelé vieillissement. En vieillissant, plus les matériaux sont en contact les uns avec les autres, plus il faut de force pour les déplacer. Cette résistance est appelée frottement statique. Plus quelque chose est long, comme une faute, est assis immobile, plus le frottement statique s'accumule et plus le défaut devient fort.

Même lorsque le défaut reste immobile, le mouvement tectonique est toujours en cours; la contrainte s'accumule dans la faille à mesure que les plaques se déplacent jusqu'à ce qu'elles se déplacent finalement tellement qu'elles dépassent la force de frottement statique et commencent à glisser. Parce que la faute s'est aggravée avec le temps, le stress peut s'accumuler à des niveaux importants, et une énorme quantité d'énergie est alors libérée sous la forme d'un puissant tremblement de terre.

"Ce mécanisme de vieillissement est essentiel pour sous-tendre le comportement instable des failles qui conduisent aux tremblements de terre, " dit Robert Carpick, le professeur John Henry Towne et président du département de génie mécanique et de mécanique appliquée de la Penn's School of Engineering and Applied Science. « Si vous n'aviez pas vieilli, alors la faille se déplacerait très facilement et vous auriez donc des tremblements de terre beaucoup plus petits qui se produiraient plus fréquemment, ou peut-être même simplement un mouvement fluide. Le vieillissement entraîne l'apparition de troubles peu fréquents, grands tremblements de terre qui peuvent être dévastateurs."

Les scientifiques étudient le mouvement des failles et le vieillissement des matériaux géologiques à l'échelle macroscopique depuis des décennies, produire des théories et des modèles phénoménologiques pour décrire leurs résultats expérimentaux. Mais il y a un problème quand il s'agit de ces modèles.

"Les modèles ne sont pas fondamentaux, non basé physiquement, ce qui signifie que nous ne pouvons pas dériver ces modèles de la physique de base, " a déclaré Kaiwen Tian, un étudiant diplômé de la Penn's School of Arts &Sciences.

Mais un projet basé à Penn cherche à comprendre le frottement des roches d'un point de vue plus physique à l'échelle nanométrique.

Dans leur plus récent article, Publié dans Lettres d'examen physique , les chercheurs ont vérifié la première théorie fondamentale pour décrire le vieillissement et expliquer ce qui se passe lorsque la charge augmente.

La recherche a été dirigée par Tian et Carpick. David Goldsby, professeur agrégé au Département des sciences de la Terre et de l'environnement à Penn; Izabela Szlufarska, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université du Wisconsin-Madison; Yun Liu, ancien élève de l'UW ; et Nitya Gosvami, maintenant professeur assistant au département de mécanique appliquée de l'IIT Delhi, également contribué à l'étude.

Des travaux antérieurs du groupe ont montré que le frottement statique est logarithmique avec le temps. Cela signifie que si les matériaux sont en contact 10 fois plus longtemps, alors la force de friction nécessaire pour les déplacer double. Alors que les scientifiques avaient observé ce comportement des roches et des matériaux géologiques à l'échelle macroscopique, ces chercheurs l'ont observé à l'échelle nanométrique.

Dans cette nouvelle étude, les chercheurs ont fait varier la quantité de force normale sur les matériaux pour découvrir comment la charge affecte le comportement de vieillissement.

"C'est une question très importante car la charge peut avoir deux effets, " dit Tian. " Si vous augmentez la charge, vous augmenterez la zone de contact. Cela peut également affecter la pression locale."

Pour étudier cela, les chercheurs ont utilisé un microscope à force atomique pour étudier la force de liaison où deux surfaces se rencontrent. Ils ont utilisé de l'oxyde de silicium car c'est un composant principal de nombreux matériaux de roche. L'utilisation de la petite pointe nanométrique de l'AFM garantit que l'interface est composée d'un seul point de contact, facilitant l'estimation des contraintes et de l'aire de contact.

Ils ont mis une pointe nanométrique en oxyde de silicium en contact avec un échantillon d'oxyde de silicium et l'y ont maintenu. Après assez de temps passé, ils ont glissé la pointe et mesuré la force nécessaire pour initier le glissement. Carpick a dit que c'est analogue à mettre un bloc sur le sol, le laisser reposer un moment, puis en le poussant et en mesurant la force nécessaire pour que le bloc commence à bouger.

Ils ont observé ce qui s'est passé lorsqu'ils ont poussé plus fort dans la direction normale, augmenter la charge. Ils ont découvert qu'ils doublaient la force normale, et puis la force de frottement nécessaire a également doublé.

Pour l'expliquer, il a fallu examiner très attentivement le mécanisme conduisant à cette augmentation de la force de frottement.

"La clé, " Carpick a dit, "Est-ce que nous avons montré dans nos résultats comment la dépendance de la force de friction sur le temps de maintien et la dépendance de la force de friction sur la charge se combinent. Cela était cohérent avec un modèle qui suppose que la force de friction augmente parce que nous obtenons des liaisons chimiques se forment à l'interface, le nombre de ces liens augmente donc avec le temps. Et, quand on pousse plus fort, ce que nous faisons, c'est augmenter la zone de contact entre la pointe et l'échantillon, provoquant une augmentation de la friction avec une force normale.

Avant cette recherche, il avait été suggéré qu'en poussant plus fort, ces liens pourraient également se former plus facilement.

Les chercheurs ont découvert que ce n'était pas le cas :à une bonne approximation, augmenter la force normale augmente simplement la quantité de contact et le nombre de sites où les atomes peuvent réagir.

Actuellement, le groupe examine ce qui se passe lorsque la pointe reste sur l'échantillon pendant de très courtes périodes de temps. Auparavant, ils examinaient des temps d'attente allant d'un dixième de seconde à 100 secondes. Mais maintenant, ils envisagent des échelles de temps encore plus courtes qu'un dixième de seconde.

En regardant des délais très courts, ils peuvent mieux comprendre les détails de l'énergétique des liaisons chimiques pour voir si certaines liaisons peuvent se former facilement et si d'autres prennent plus de temps à se former. Il est important d'étudier les liens qui se forment facilement, car ce sont les premiers liens à se former et peuvent donner un aperçu de ce qui se passe au tout début du contact.

En plus de permettre une meilleure compréhension des séismes, ce travail pourrait conduire à des nano-dispositifs plus efficaces. Parce que de nombreux micro- et nano-dispositifs sont fabriqués à partir de silicium, comprendre la friction est essentiel pour que ces appareils fonctionnent plus facilement.

Mais, le plus important, les chercheurs espèrent que quelque part plus tard, une meilleure compréhension du vieillissement leur permettra de prévoir à quel moment les séismes se produiront.

« Les emplacements des tremblements de terre peuvent être assez bien prédits, " Carpick a dit, "mais quand un tremblement de terre va se produire est très difficile à prévoir, et c'est en grande partie parce qu'il y a un manque de compréhension physique des mécanismes de friction derrière les tremblements de terre. Nous avons un long chemin à parcourir pour relier ce travail aux tremblements de terre. Cependant, ce travail nous donne des informations plus fondamentales sur le mécanisme de ce vieillissement et, à long terme, nous pensons que ce genre d'informations pourrait nous aider à mieux prévoir les tremblements de terre et d'autres phénomènes de friction."