Brechendes nanoporöses Quarz-Glas und Erdbeben knistern ähnlich

3. März 2013, 17:57
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Wiener Forscher finden statistische Ähnlichkeiten zwischen Geräuschen bei Rissbildungen in Materialien und Erdstößen

Wien - Wenn man ein Blatt Papier zusammenknüllt, entsteht dabei ein knisterndes Geräusch. Forscher an der Universität Wien haben entdeckt, dass auch bei Faltungen in wesentlich größerem Maßstab Knistergeräusche festzustellen sind - und dass die Ursache für das Geknister der beiden Vorgänge unerwartete Parallelen aufweist.

Laute wie diese folgen ähnlichen, aber nicht gleichen statistischen Gesetzen. Die Wiener Physiker unter der Leitung von Wilfried Schranz vom Bereich Physik Funktioneller Materialien haben nun jedoch mit Hilfe von Geräuschanalysen die gleichen statistischen Gesetzmäßigkeiten zwischen der Rissbildung in Materialien und Erdbeben nachgewiesen. Die neuen Erkenntnisse Sie könnten zu einem realistischen Labormodell führen, mit dessen Hilfe sich die statistischen Eigenschaften von Erdbeben näher untersuchen ließen. Die Arbeit wurde in der Fachzeitschrift "Physical Review Letters" publiziert.

Zufallsgeräusche

Beim Popcorn-Machen entstehen die "Pops" zwar in völlig zufälliger Reihenfolge ohne irgendein Muster, alle haben aber in etwa die gleiche Lautstärke. Im Unterschied dazu ist bei Knistergeräuschen nicht nur die Reihenfolge der Geräusche völlig ohne Muster, sondern auch die Lautstärke der einzelnen Geräusche ist zufällig, manche sind lauter, manche leiser.

Solche Knistergeräusche entstehen auch, wenn man die Intensität von mit Seismographen aufgenommenen Erdbebenwellen in akustische Signale umwandelt und dann komprimiert abspielt. Nachzuhören und zu vergleichen sind solche Sounds im Internet auf der Homepage "Crackling Noise".

Auch wenn Möglichkeiten zur Erdbebenvorhersage derzeit nicht in Sicht sind, haben Wissenschafter in den vergangenen Jahren mit statistischen Methoden vier Hauptgesetzmäßigkeiten herausgefunden, denen Erdbeben folgen. Dazu zählt etwa das Gutenberg-Richter-Gesetz, wonach kleine und mittelstarke Erdbeben viel öfter auftreten als große Beben, oder das Omori-Gesetz über die Wartezeiten zwischen Beben, die ebenfalls eine gewisse statistische Gesetzmäßigkeit erfüllen. Die Wiener Wissenschafter haben nun erstmals die gleichen Gesetzmäßigkeiten bei der Rissbildung eines bestimmten Materials gefunden.

Komprimierte nanoporöse Materialien

"Die Idee, einen möglichen Zusammenhang zwischen Rissbildungen in Materialien und Erdbeben durch Geräuschanalysen zu untersuchen, kam mir, als ich Papier zerrissen habe", sagte Schranz. Er hat dann gemeinsam mit Kollegen der Universitäten Cambridge und Barcelona sogenannte nanoporöse Materialien langsam komprimiert, bis sie brechen. Die dabei entstehenden Geräusche wurden aufgenommen und mittels statistischer Methoden analysiert.

"Wir haben das mit verschiedenen solchen Materialien versucht, waren aber nur mit VYCOR erfolgreich", so Schranz. Dabei handelt es sich um ein künstlich hergestelltes poröses Quarz-Glas mit schwammartiger Struktur, dessen Löcher in der Größenordnung von 10 Nanometer liegen. Bei der Analyse des Knistergeräuschs, das entsteht, wenn man dieses Material komprimiert, konnten die Forscher erstmals nachweisen, dass alle vier Hauptgesetzmäßigkeiten der statistischen Seismologie erfüllt sind.

Vorgänge im Kilometerbereich auf Nanometermaßstab

Für die Forscher ist es bemerkenswert, dass sich das Verhalten hochkomplexer Vorgänge in der Größenordnung von Erdbeben, also im Bereich von Kilometern, auf Vorgänge im Bereich der Nanometerskala übertragen lassen. Sie hoffen damit, auch den umgekehrten Weg gehen und vom Kleinen aufs Große schließen zu können - also die statistischen Eigenschaften von Erdbeben im Labor an einem Modellsystem studieren und daraus Schlussfolgerungen auf reale Naturvorgänge ziehen zu können. "Von einer Erdbebenprognose ist man noch sehr weit entfernt, aber wenn man die statistischen Gesetzmäßigkeiten besser versteht, kann man schon etwas über Vorhersagen lernen", so Schranz.

Mögliche Anwendungen gibt es aber auch in völlig anderen Bereichen: Lawinen etwa würden ebenso solchen statistischen Regeln gehorchen wie die Ausbreitung von Epidemien. Auch in der Materialphysik, dem eigentlichen Spezialgebiet von Schranz, spielen die Ergebnisse eine große Rolle. Zum Beispiel bei sogenannten Phasenübergänge in Metallen mit Formgedächtnis. "Diese Übergänge gehen lawinenartig und auch dort findet man ähnliche akustische Signale und statistische Gesetzmäßigkeiten", sagte der Forscher. (APA/red, derStandard.at, 03.03.2013)

  • Erdbeben verursachen Risse in der Erde, die Vorgänge weisen akustische Parallelen zu brechendem nanoporösem Material auf.
    foto: uni wien

    Erdbeben verursachen Risse in der Erde, die Vorgänge weisen akustische Parallelen zu brechendem nanoporösem Material auf.

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