Блог

Jun 11, 2023

Микроскопические трещины в металле могут самопроизвольно заживать

Новое исследование показывает, что микроскопические трещины в металлах могут заживлять сами себя, что позволяет предположить, что самовосстанавливающиеся машины однажды смогут обратить вспять нанесенный им ущерб, показывает новое исследование. Когда металлические детали в машинах неоднократно подвергаются

Новое исследование показывает, что микроскопические трещины в металлах могут заживлять сами себя, что позволяет предположить, что самовосстанавливающиеся машины однажды смогут обратить вспять нанесенный им ущерб, показывает новое исследование.

Когда металлические детали машин неоднократно подвергаются нагрузкам, образуются микроскопические трещины, которые со временем растут и распространяются, пока детали не сломаются. Такая усталость является причиной до 90 процентов всех поломок металлических конструкций, зачастую катастрофических и непредсказуемых.

Предыдущие исследования изучали металлы, которые могли восстанавливаться после воздействия тепла для активации скрытых целебных компонентов. Теперь ученые обнаружили, что микроскопические трещины в металле могут полностью исчезнуть сами по себе.

«Это открытие может в конечном итоге привести к разработке новых стратегий по уменьшению усталостного растрескивания металлов», — говорит соавтор исследования Брэд Бойс, ученый-материаловед из Центра интегрированных нанотехнологий Национальной лаборатории Сандии в Альбукерке, штат Нью-Мексико.

В новом исследовании исследователи из Sandia первоначально анализировали, как трещины образуются и распространяются в кусках платиновой фольги толщиной 40 нанометров, находящихся в вакууме. Используя новый инструмент, разработанный по просьбе Сандиа и который можно было бы поместить в электронный микроскоп, исследователи неоднократно тянули края металла 200 раз в секунду, чтобы натянуть фольгу.

Удивительно, но примерно через 40 минут после начала эксперимента ущерб изменился. Один конец трещины сросся на протяжении 18 нм, не оставив следов. Со временем, по мере продолжения эксперимента, трещина вновь открылась в другом направлении.

Секрет этого самовосстановления заключается в явлении, известном как холодная сварка. Металлы удерживаются вместе металлическими связями, в которых внешние электроны каждого атома могут свободно перемещаться по общей структуре материала. Это означает, что когда два плоских, чистых куска металла соприкасаются, они могут сплавиться друг с другом. Природа металлических связей означает, что для атомов и свободных электронов в каждом куске металла нет различия между двумя частями, и они ведут себя так, как если бы они были одним целым.

Холодная сварка обычно не используется в повседневной жизни, поскольку металлы часто покрываются слоями оксидов и других загрязнений, которые препятствуют ее возникновению. Однако это может привести к проблемам в космосе — например, антенна с высоким коэффициентом усиления в зонде НАСА «Галилео», направляющемся к Юпитеру, не открылась полностью в 1991 году из-за того, что холодная сварка сплавила ее части вместе.

Ученым известно, что холодная сварка может происходить, когда металлы прижимаются друг к другу. Однако в 2013 году компьютерное моделирование, проведенное ученым-материаловедом Майклом Демковичем, тогда работавшим в Массачусетском технологическом институте, и тогдашним аспирантом Гоцян Сюем, предположило, что холодная сварка может залечивать микроскопические трещины даже без сжатия. Новые результаты подтверждают эту предыдущую работу.

«Я был рад видеть, что такое противоречивое предсказание получило экспериментальное подтверждение», — говорит Демкович, сейчас работающий в Техасском университете A&M в Колледж-Стейшн.

Бойс предупреждает, что «это была небольшая трещина, и она не зажила сама собой полностью. Это была микроскопическая трещина, которая зажила только на кончике трещины».

Тем не менее, способность металла самозаживлять даже микроскопические трещины может найти применение. «Все повреждения начинаются на наноуровне», — говорит Демкович, соавтор нового исследования. «Если мы сможем залечить трещины, пока они еще маленькие, мы сможем пресечь повреждения в зародыше».

По словам Бойса, теперь ученые хотят посмотреть, может ли такое самовосстановление происходить на воздухе, а не в вакууме, а также в таких сплавах, как сталь. В конечном итоге они хотели бы разработать материалы, которые смогут намеренно использовать этот эффект, добавляет он.

Исследователи подробно рассказали о своих выводах 19 июля в журнале Nature.