Sử dụng một chiếc kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) để phóng to những chiều kích nano mét, các nhà nghiên cứu ở Mĩ đã cải thiện kiến thức của chúng ta về sự ma sát giữa các bề mặt tại những đường nứt địa chất. Các thí nghiệm cho thấy các quá trình hóa học có thể tác dụng để liên kết các bề mặt lại với nhau – một khám phá có thể dẫn tới sự hiểu biết tốt hơn về cơ chế phát sinh động đất.
Việc tìm hiểu những bề mặt này tương tác như thế nào là quan trọng vì động đất là do sự mất cân bằng ma sát giữa những vết nứt hoạt tính. Sức căng hình thành trên vết nứt và sự trượt xảy ra khi sức căng này vượt quá lực ma sát, giải phóng năng lượng dự trữ và gây ra động đất. Các nhà địa vật lí biết rằng sự ma sát giữa những khối đá đối diện nhau còn lớn khi những bề mặt tiếp xúc còn dài. Đây là sự tăng cường ma sát và đã được quan sát thấy trong tự nhiên lẫn trong phòng thí nghiệm.
Lượng hay chất?
Hai lí thuyết cạnh tranh nhau đã được nêu ra để giải thích sự tăng cường ma sát. Thứ nhất, các điểm tiếp xúc tại ranh giới đá có thể lớn lên và tăng diện tích theo thời gian (“sự bò plastic”) – đây là lập luận “định lượng”. Thứ hai, sự liên kết hóa học dọc theo vết nứt có thể làm tăng cường độ tiếp xúc – đây là lập luận “định tính”. Tuy nhiên, những cơ chế này khó nghiên cứu vì chúng thường xảy ra ở sâu bên trong những lớp đá dày.
Nay một đội gồm các nhà vật lí và nhà địa chất học vừa làm sáng tỏ về sự tăng cường ma sát bằng cách xét vấn đề từ một cái nhìn ở thang bậc nano. Robert Carpick và các đồng sự tại trường Đại học Pennsylvania đã thực hiện những thí nghiệm sử dụng một AFM, kéo lê một đầu nhọn silic nhỏ xíu trên một bề mặt silic để bắt chước sự ma sát đá-trên-đá. Silic được dùng vì nó là thành phần chính của đá.
Các nhà khoa học tìm thấy lực ma sát giữa đầu nhọn và bề mặt tăng theo hàm lôga theo thời gian trên khoảng thời gian khoảng 100 s, giống như đã quan sát thấy đối với các tương tác đá vĩ mô. Sau đó các nhà khoa học đã nghiên cứu nguồn gốc của sự tăng cường này bằng cách trượt đầu nhọn silic trên bề mặt kim cương và graphite. Vì hai chất liệu này trơ về mặt hóa học và không dễ hình thành liên kết với silic, nên mọi sự tăng cường ma sát quan sát thấy sẽ là do sự thay đổi diện tích tiếp xúc, chứ không phải do liên kết hóa học.
Hình minh họa thể hiện đầu nhọn của một kính hiển vi lực nguyên tử (hình nón màu đỏ ở phía trước) được sử dụng để nghiên cứu xem ma sát thay đổi như thế nào theo thời gian. (Ảnh: Đại học Pennsylvania/D K Lynch)
Định lượng bị bác bỏ ở thang nano
Các kết quả thật thuyết phục: các tiếp xúc silic-kim cương và silic-graphite thể hiện hầu như không có sự tăng cường ma sát, do đó bác bỏ cơ chế diện tích tiếp xúc. Các nhà nghiên cứu kết luận rằng sự tăng cường silic-silic phải là do liên kết hóa học tại mặt tiếp xúc, có khả năng thông qua sự hình thành các liên kết siloxane (Si-O-Si).
“Hiện nay, đa số các mô hình động đất đều mang tính kinh nghiệm và không có tính dự báo,” Carpick nói. “Kết quả này bổ sung thêm một mảnh vào câu đố, và chúng tôi nghĩ nó là kết quả quan trọng vì nó đề xuất một cơ chế đặc biệt để bao hàm trong mô hình ma sát: liên kết hóa học tại mặt tiếp xúc. Với các thí nghiệm ở cấp độ nano, ta có thể thu được những cái nhìn sâu sắc mới mà trước đây khó nắm bắt.”
Mặc dù liên kết hóa học giải thích cho sự già hóa ma sát ở cấp độ nano, nhưng người ta vẫn chưa rõ liệu cơ chế này có thể giải thích trọn vẹn những quá trình đá vĩ mô trên thực tế hay không.
Quá trình nào chiếm ưu thế?
“Những kết quả này cho thấy sự liên kết hóa học chiếm ưu thế ở những bề mặt tương hợp hóa tính, trong khi những kết quả khác cho thấy rõ ràng rằng lượng bề mặt tiếp xúc giữ một vai trò then chốt,” phát biểu của Jay Fineberg thuộc Viện Vật lí Racah ở Jerusalem. “Tôi nghi ngờ rằng cả hai hiệu ứng đều có vai trò, và hiệu ứng nào chiếm ưu thế có lẽ phụ thuộc hai bề mặt tiếp xúc có hoạt tính như thế nào. Dù trong trường hợp nào, thì đây là những vấn đề quan trọng vẫn nên được hiểu rõ,” ông nói.
Carpick đồng ý rằng sự liên kết hóa học có thể không phải là yếu tố duy nhất. “Ở cấp độ vĩ mô, mặt tiếp xúc giữa các chất liệu là cực kì phức tạp. Chúng tôi không bác bỏ những cơ chế khác (ví dụ như sự tăng diện tích tiếp xúc), nhưng chúng tôi đang chứng minh rằng sự liên kết hóa học là một cơ chế nên được tính đến trong mọi phép phân tích toàn diện,” ông nói.
Vậy làm thế nào chúng ta có thể hiểu sự đóng góp tương đối của hai cơ chế này? “Chúng ta cần khảo sát những sức căng lớn hơn, và những nhiệt độ cao hơn, mở rộng các điều kiện tìm thấy trong các hệ địa chất,” Carpick nói. “Chúng ta có thể thấy sự bò trườn plastic ở những áp suất và nhiệt độ cao này, nhưng sự liên kết hóa học cũng có thể tăng lên.”
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature.
Nguồn: physicsworld.com
