Jeolojik bir kırığın içinde çakıl taşı büyüklüğündeki daha küçük kayaçların ve tanelerin kademeli olarak birikir. Bunun neticesinde taneli malzemeyi akmaya zorlamak için gereken stres zaman geçtikçe artar. Bu sürtünme “yaşlanmasının” bir dizi nedeni vardır, ancak bilim insanları yakın zamanda moleküler düzeydeki deformasyonlarla ilişkili olabilecek bir ısı etkisi tespit etmişlerdir.
Bilim insanları, küçük tanelerden oluşan bir yatak üzerinde, tanelerin yaşlanmasının belirtilerini ortaya çıkaran bir başlatma-durdurma düzeninde hafifçe döndürerek testler gerçekleştirdiler. Bu fenomenin, etkinin sıcaklığa bağlı olduğu görüldüğünden, tanelerdeki yüzey kusurlarının termal olarak birbirine kenetlenmesinden kaynaklandığı düşünülmektedir. Bulgular, jeolojik faylarda gözlemlenen yapışma-kayma olaylarına farklı bir açıdan ışık tutabilir.
Toprak veya kum gibi küçük parçacıklardan oluşan tanecikli malzemeler özel karakteristiklere sahiptir.
Örneğin polimer sektöründe tanecikler hafta sonu boyunca hareketsiz bırakılır, bu nedenle pazartesi günleri tanecikli bileşenleri çalkalamaya başlamak için diğer günlere kıyasla daha fazla güç gerekir. Parçacıkların dinlendiği süre ile sürtünme temas ağını kırmak için gereken kuvvet miktarı arasında bir korelasyon vardır; bu yaşlanma etkisi heyelan ve depremlerin oluşumunda da rol oynar. Amsterdam Üniversitesi’nden Kasra Farain, “Tanecikli ağ, ne kadar uzun süre beklerseniz o kadar güçlenir” diyor.
Nem, yoğunlaşmış suyun neden olduğu taneler arasındaki kılcal gerilimdeki rolü ile yaşlanmayı açıklamak için ortaya atılan hipotezlerden biridir.
Bir başka teori de tanelerin dinlenirken kendilerini bir şekilde yeniden düzenleyerek daha yoğun bir yığın oluşturduklarıdır.
Yine de yaşlanmanın kuru, yeniden düzenlenmeyen tanelerde gerçekleştiğine dair kanıtlar olduğu için başka faktörler de söz konusu olabilir. Farain ve Amsterdam’dan meslektaşı Daniel Bonn, yavaş hareket eden tanecikli bir sistemde şimdi termal bir etki tespit ettiler.
Farain ve Bonn, yaklaşık 40 µm boyutlarında şeffaf plastik taneler kullanarak deneylerini gerçekleştirdiler. Taneleri tutmak için disk şeklinde bir kap kullanıldı. Hassas bir tork üretebilen bir cihaz olan reometre, üst plakayı kontrol ederken alt plaka sabit kaldı. Başlangıçta, araştırmacılar küçük bir başlangıç torku kullanarak üst plakayı günde yaklaşık bir tur hızla döndürdüler. Bir sonraki adım, uygulanan torku tanelerin hareket etmeden orijinal konumlarında kaldığı bir noktaya indirerek dönüşü “duraklatmak” oldu. Araştırmacılar, bir saniye ile birkaç dakika arasında değişen bir dinlenme süresi boyunca taneleri bu “donmuş” durumda bıraktılar. Araştırmacılar, duraklatma düğmesini bırakıp torku artırdıklarında tanelerin başlangıçta uygulanandan daha fazla kuvvete ihtiyaç duyduğunu keşfetti. Dinlenme süresi ilave tork miktarını belirledi.
Sonuçlar, tanelerin daha yüksek sıcaklıklarda (20 ila 80 °C arasında) daha hızlı yaşlandığını gösterdi. Ekip, sıcaklık ilişkisinin kaynağını belirlemek için aynı reometre düzeneğinde gerilme-gevşeme deneyleri gerçekleştirdi. Üst plaka, yerinde tutulmadan önce başlangıçta belirli bir dereceye kadar büküldü. İlk başta, taneler bükülmeye direnerek reometreye bir tork uyguladı, ancak sonunda pes ettiler. Önceki araştırmalar, tanecikli yüzeylerdeki moleküler modifikasyonların depolanan elastik enerjiyi bükülmeden dağıttığını ve bunun da bu tür stres gevşemesine neden olduğunu göstermiştir. Farain ve Bonn aynı granüler sistemde, gerilme gevşemesinin ve sürtünme yaşlanmasının her ikisinin de sıcaklıktan etkilendiğini göstermiştir.
Her iki sıcaklığın da benzer şekilde davranması, moleküler düzeydeki deformasyonların da termal yaşlanma etkisiyle ilişkili olduğunu göstermektedir. Farain’e göre, iki tane birlikte zorlandığında yüzey kusurları deforme olur ve bu da temasın gücünü artırabilir. Taneler ısıtıldığında, bu deformasyonların daha hızlı gerçekleşebileceği mantıklıdır.
Fay hatlarının, plakalar yapışma ve kayma arasında gidip gelirken döngülerden geçtiği biliniyor ve araştırmacılar bu keşiflerin bu hatların modellenmesine uygulanabileceğini düşünüyor. Yapışma aşamasında, plakalar arasındaki fay oyukları olarak bilinen tanecikli malzeme yaşlanabilir. Farain, daha sonraki bir deneyde, birden fazla yapışma ve kayma döngüsü boyunca yaşlanma nedeniyle fay üzerinde stres oluşup oluşmayacağını araştırmayı planlıyor.
Sorbonne Üniversitesi’nden Eric Clement’e göre deneyler iyi bir şekilde yürütüldü. Yaşlanma konusundaki mevcut literatüre katkıda bulunduklarını ve zemin mekaniği ve gezegen jeofiziği alanlarında potansiyel uygulamaları olduğunu düşünüyor. Ona göre stres gevşemesi ve yaşlanma arasında bulunan benzerlik en önemli yeni bulgu.
Clement’in açıklamasına göre, tanecikli etkileşimler ölçeğinde meydana gelen termal moleküler de reaksiyonlar merkezidir.
