Intrygujące odkrycie. Pęknięty kawałek metalu sam się naprawił

Nowo odkryte zjawisko może pozwolić na tworzenie samonaprawiających się silników, mostów, samolotów i innych urządzeń. Obiekty, które samoistnie będą niwelować uszkodzenia spowodowane zużyciem, będą bezpieczniejsze i trwalsze.

– Obserwacja tego zjawiska była absolutnie oszałamiająca. Potwierdziliśmy, że metale mają wrodzoną, naturalną zdolność do samoleczenia, przynajmniej w przypadku uszkodzeń zmęczeniowych w nanoskali – mówi Brad Boyce, materiałoznawca, który brał udział w badaniach.

Odkrycie zespołu badawczego z Sandia National Laboratories i Texas A&M University opisano w magazynie "Nature" (DOI: 10.1038/s41586-023-06223-0).

Uszkodzenia spowodowane zmęczeniem materiału bardzo często prowadzą do awarii urządzeń. Powtarzające się naprężenia lub ruchy powodują powstawanie mikroskopijnych pęknięć. Z biegiem czasu te pęknięcia rosną i rozprzestrzeniają się, aż w końcu cała konstrukcja się psuje.

Obserwowane przez zespół pęknięcie miało kilka nanometrów, ale w końcu mogłoby się powiększyć. – Połączenia lutowane w naszych urządzeniach elektronicznych, silniki pojazdów i mosty psują się i pękają z powodu rozrastania się nanopęknięć. Kiedy zawiodą, musimy liczyć się z kosztami wymiany, stratą czasu, a w niektórych przypadkach nawet z obrażeniami lub utratą życia. Ekonomiczny wpływ tych awarii jest mierzony w Stanach Zjednoczonych w setkach miliardów dolarów rocznie – wyjaśnia Boyce.

Naukowcy stworzyli już wcześniej pewne samonaprawiające się materiały, głównie tworzywa sztuczne. Jednak metal, który samoczynnie się zrasta, był do tej pory domeną science fiction.

– Nawet niektóre podstawowe równania, których używamy do opisu wzrostu pęknięć, wykluczają możliwość takich procesów samoczynnego "gojenia" – mówi Boyce.

W 2013 r. Michael Demkowicz z Massachusetts Institute of Technology opublikował koncepcją opartą na wynikach symulacji komputerowych. Według niej, w pewnych warunkach metal powinien być w stanie samoczynnie "zaleczyć" pęknięcia powstałe w wyniku uszkodzeń zmęczeniowych.

Odkrycie, że jego koncepcja jest prawdziwa, nastąpiło przypadkowo. Prof. Khalid Hattar z Uniwersytetu Tennessee i Chris Barr z Departamentu Energii USA prowadzili eksperymenty w laboratorium Sandia. Chcieli ocenić, w jaki sposób powstają i rozprzestrzeniają się mikropęknięcia w kawałku platyny. W tym celu wykorzystali mikroskop elektronowy i urządzenie, które rozciągało kawałek metalu dwieście razy na sekundę.

Niespodziewanie, około 40 minut po rozpoczęciu eksperymentu, uszkodzenia same się naprawiły. Mikropęknięcie złączyło się i nie pozostał po nim ślad.

Boyce podzielił się swoimi odkryciami z Demkowiczem, który "bardzo się ucieszył". Następnie profesor odtworzył eksperyment na modelu komputerowym i udowodnił, że zjawisko obserwowane w Sandii było tym samym, o którym teoretyzował wiele lat wcześniej.

Potrzebne są dalsze badania nad samoleczeniem metali. Nie wiadomo, czy zjawisko będzie można wykorzystać na szeroką skalę. – Proces zaobserwowaliśmy w metalach nanokrystalicznych w próżni. Ale nie wiemy, czy będzie można go wywołać w innych materiałach w środowisku naturalnym – zaznacza Boyce.

Jednak mimo wszystkich niewiadomych odkrycie pozostaje krokiem milowym dla materiałoznawstwa.

Źródło: Sandia National Laboratories