Was hat die Verformung von Materialien mit Erdbeben gemeinsam?

Seismologische Interpretation © Detlev Müller
Auf den ersten Blick nur wenig. Schaut man genauer hin, finden sich tatsächlich Gemeinsamkeiten. Welche das sind, hat eine Gruppe von Wissenschaftlern unter Beteiligung der TU Freiberg erforscht. Ihre Erkenntnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.

Materialwissenschaftler und Physiker auf der ganzen Welt forschen seit langem zum Verständnis der mikroskopischen Phänomene, die dafür verantwortlich sind, dass manche Materialien deutlich robuster gegenüber äußeren mechanischen Einflüssen sind als andere. Nun ist es einem Wissenschaftsteam gelungen, die fundamentalen „Zutaten“ für die plastische (d.h. bleibende) Verformung in amorphen Materialien auf eine neuartige Art und Weise zu analysieren. Dafür verbinden sie Methoden der Materialwissenschaft mit denen der statistischen Physik. Ihr Modell ermöglicht es, DetailsVergleich der Scherbänder sogenannter Scherbändern, Stellen an denen das Material unter realen Randbedingungen nachgeben wird, genau vorhersagen zu können. Dabei zeigt sich ein ganz charakteristisches Verhalten – die Dehnungslawinen. Sie entstehen, wenn mehrere Scherbänder sprunghaft miteinander interagieren.

Das stellt auch die Verbindung zu Erdbeben dar. Im Laufe der Untersuchungen fanden die Wissenschaftler heraus, dass sich die statistischen Signaturen der Dehnungslawinen in amorphen Materialien und der akustischen Emission in Erdbeben sehr ähnlich sind. Darüber hinaus konnte das Forschungskonsortium erstmals zeigen, dass die Gesetzmäßigkeiten in amorphen Materialien unabhängig von spezifischen Randbedingungen und den Details der äußeren Einwirkungen sind und dass die statistischen Signaturen solcher kritischen Phänomene sich sehr ähnlich sein können und damit auch auf komplett andere Materialien oder Systeme übertragbar sind (Universalität). 

Bedeutet das, dass wir jetzt den genauen Ort, Stärke und Zeit eines in der Zukunft geschehenen Erdbebens vorhersagen können? In naher Zukunft wohl eher nicht. Die Ergebnisse eröffnen dennoch neue Möglichkeiten für zukünftige und interdisziplinäre Forschungsmethoden. So können Wissenschaftler beispielsweise Ersatzsysteme unter leicht zugänglichen Laborbedingungen studieren und auf gänzlich andere Systems auf anderen Längen- und Zeitskalen übertragen und deren Verhalten vorhersagen. Ein Ansatz, der insbesondere für die Verbindung von Geologie und Materialwissenschaft an der TU Freiberg äußerst vielversprechend ist.

Zum Fachartikel auf „Nature Communications“

Ansprechpartner: 
Prof. Stefan Sandfeld, Tel.: 03731/ 39-4138