Ошеломляющее открытие - металлы могут исцелять себя сами

Зеленым цветом обозначено место, где образовалась трещина. Предоставлено: Дэн Томпсон, Сандийская национальная лаборатория

Исследовательская группа из Сандийской национальной лаборатории и Техасского университета A&M описала свои выводы в журнале Nature. «Это было совершенно ошеломляюще наблюдать из первых рук», — сказал ученый-материаловед из Сандии Брэд Бойс. «Мы подтвердили, что металлы обладают собственной естественной способностью к самовосстановлению, по крайней мере, в случае усталостного повреждения на наноуровне», — сказал Бойс.

Усталостное повреждение - это один из способов износа машин и в конечном итоге поломки. Повторяющееся напряжение или движение вызывает образование микроскопических трещин. Со временем эти трещины растут и распространяются до тех пор, пока не сломаются! Все устройство ломается, или, говоря научным жаргоном, выходит из строя. Трещина, которую Бойс и его команда увидели, была одним из этих крошечных, но важных переломов, измеряемых в нанометрах.

«От паяных соединений в наших электронных устройствах до двигателей нашего автомобиля и мостов - эти конструкции часто выходят из строя непредсказуемо из-за циклической нагрузки, которая приводит к образованию трещин и, в конечном итоге, к разрушению», — сказал Бойс. «Когда они терпят неудачу, нам приходится бороться с затратами на замену, потерянным временем и, в некоторых случаях, даже травмами или гибелью людей.”

Хотя ученые создали некоторые самовосстанавливающиеся материалы, в основном пластмассы, понятие самовосстанавливающегося металла в значительной степени было областью научной фантастики.

«Ожидалось, что трещины в металлах станут больше, а не меньше. Даже некоторые из основных уравнений, которые мы используем для описания роста трещин, исключают возможность таких процессов заживления», — сказал Бойс.

Неожиданное открытие, подтвержденное создателем теории

В 2013 году Майкл Демкович — в то время доцент кафедры материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института, а ныне профессор Техасского университета A&M — начал заниматься традиционной теорией материалов. Он опубликовал новую теорию, основанную на результатах компьютерного моделирования, о том, что при определенных условиях металл должен быть способен сваривать трещины, образованные износом.

Открытие того, что его теория верна, произошло непреднамеренно в Центре интегрированных нанотехнологий, пользовательском объекте Министерства энергетики, совместно управляемом национальными лабораториями Сандии и Лос-Аламоса.

«Мы, конечно, не искали его», — сказал Бойс.

Халид Хаттар, ныне адъюнкт-профессор Университета Теннесси в Ноксвилле, и Крис Барр, который сейчас работает в Управлении ядерной энергии Министерства энергетики, проводили эксперимент в Сандии, когда было сделано открытие. Они предназначались только для того, чтобы оценить, как трещины образуются и распространяются через наноразмерный кусок платины, используя специализированную технику электронного микроскопа, которую они разработали, чтобы многократно тянуть концы металла 200 раз в секунду.

Удивительно, но примерно через 40 минут после начала эксперимента ущерб изменился. Один конец трещины снова сросся, как будто он повторял свои шаги, не оставляя следов прежней травмы. Со временем трещина заросла в другом направлении.

Хаттар назвал это «беспрецедентным прозрением».

Бойс, который знал об этой теории, поделился своими выводами с Демковичем.

«Конечно, я был очень рад это услышать», — сказал Демкович. Затем профессор воссоздал эксперимент на компьютерной модели, доказав, что явление, свидетелем которого он стал в Сандии, было тем же самым, которое он теоретизировал годами ранее.

Их работа была поддержана Управлением науки Министерства энергетики, фундаментальными энергетическими науками; Национальное управление по ядерной безопасности и Национальный научный фонд.

Многое остается неизвестным о процессе самовосстановления, в том числе о том, станет ли он практическим инструментом в производственных условиях.

«Степень, в которой эти результаты можно обобщить, вероятно, станет предметом обширных исследований», — сказал Бойс. «Мы показываем, что это происходит в нанокристаллических металлах в вакууме. Но мы не знаем, может ли это быть вызвано обычными металлами в воздухе».

Тем не менее, несмотря на все неизвестные, открытие остается скачком вперед на переднем крае материаловедения.

«Я надеюсь это открытие побудит исследователей материалов задуматься о том, что при правильных обстоятельствах материалы могут делать то, чего мы никогда не ожидали», — сказал Демкович.

Подробнее: Brad Boyce, Autonomous healing of fatigue cracks via cold welding, Nature (2023) DOI: 10.1038/s41586-023-06223-0 🔗