Ученые из Техасского университета A&M и Национальной лаборатории Сандия в Нью-Мексико наблюдали растрескивание и сплавление металлов. Это открытие может проложить путь к самовосстанавливающимся машинам, транспортным средствам и мостам.
Исследование, опубликованное в научном журнале Nature, показывает, что металл может самостоятельно восстанавливать микроскопические трещины, которые образуются, когда материал многократно подвергается нагрузке.
Это достигается в процессе, известном как холодная сварка, что означает, что не требуется тепла или электричества.
В отчете утверждается, что прорыв может иметь серьезные последствия для машиностроения, поскольку 90% механических отказов являются результатом усталости металлических компонентов, которая возникает, когда повторяющиеся нагрузки вызывают образование трещин.
Ученые предсказывают, что, воспользовавшись процессом самовосстановления и соответствующим образом изменив микроструктуру металлов, можно будет предотвратить усталостное растрескивание.
«Мы хотели бы понять, как микроструктура металла влияет на заживление», — сказал Майкл Дж. Демкович, профессор Texas A&M и соавтор исследования.
«Вооружившись этими знаниями, мы можем представить себе адаптацию микроструктуры, чтобы использовать преимущества самовосстановления в технологических приложениях, например, для создания материалов, более устойчивых к усталостным повреждениям», — сказал он Dezeen.
Возможно самовосстановление при холодной сварке
Ученые уже некоторое время исследуют потенциал самовосстанавливающихся материалов.
Большинство прорывов произошло в разработке пластмасс — в таких проектах, как самовосстанавливающаяся «электронная кожа», разработанная учеными Университета Колорадо в Боулдере, — хотя недавнее исследование Массачусетского технологического института также показало, что это возможно в бетоне.
До сих пор это свойство не наблюдалось в металлах без их предварительного нагрева.
Исследование показывает, что этого можно достичь при комнатной температуре в условиях вакуума в процессе, известном как холодная сварка, который в основном используется в электронике и космической технике.
Это происходит, когда два голых куска металла становятся настолько близко, что их атомы притягиваются друг к другу, вызывая сплавление их поверхностей. Это возможно только в том случае, если металлы полностью чистые.
Исследователи из Sandia National Laboratories сделали это открытие во время испытаний, чтобы увидеть, как образуются трещины в кусках платины толщиной 40 нанометров.
Они наблюдали, как трещина снова срослась, не оставив следов и в конце концов снова открылась в другом месте.
«Это было совершенно ошеломляюще — наблюдать из первых рук», — сказал Брэд Бойс, ученый Sandia, журналу Wiley Analytical Science.
«Мы подтвердили, что металлы обладают собственной естественной способностью к самовосстановлению, по крайней мере, в случае усталостного повреждения на наноуровне», — сказал Бойс, который также является соавтором исследования.
Десять лет до того, как исследования можно будет применить на практике
Полученные данные подтверждают тезис, впервые предложенный Демковичем еще в 2013 году, когда он работал профессором в Массачусетском технологическом институте, на основе результатов компьютерного моделирования, проведенного с тогдашним аспирантом Гоцян Сюй.
В то время у пары не было возможности доказать свою теорию. Исследование Сандия показало, что самовосстановление возможно как в меди, так и в платине, и исследователи полагают, что это может происходить и в других металлах.
В отчете говорится, что открытие «бросает вызов самым фундаментальным теориям о том, как инженеры проектируют и оценивают усталостную долговечность конструкционных материалов».
Тем не менее, Демкович утверждает, что пройдет не менее десяти лет, прежде чем эти выводы можно будет использовать на практике.
Следующими шагами будет изучение того, может ли металл самовосстанавливаться при воздействии воздуха, а не только в вакууме, и возможен ли этот процесс для металлических сплавов, таких как сталь.
«Наиболее важные краткосрочные последствия касаются фундаментальных теорий усталости металлов», — сказал он Dezeen. «Они должны быть пересмотрены, чтобы принять во внимание заживление трещин».
