Odkryli minerały, które pękały i same się odrzucały – DW – 20.07.2023

W środę (18.07.2023) naukowcy opisali, jak kawałki czystej platyny i miedzi samoistnie naprawiają pęknięcia spowodowane przez metal, badając, jak pęknięcia powstają i rozprzestrzeniają się w metalu pod ciśnieniem. Wyrazili optymizm, że zdolność ta może zostać włączona do metali w celu stworzenia samonaprawiających się maszyn i konstrukcji w stosunkowo niedalekiej przyszłości.

Naprężenie metalu występuje, gdy metal — w tym części maszyn, pojazdów i konstrukcji — ulega mikroskopijnym pęknięciom po poddaniu go powtarzającym się naprężeniom lub ruchom, a uszkodzenia te z czasem ulegają pogorszeniu. Zmęczenie metalu może spowodować katastrofalne w skutkach awarie w obszarach takich jak lotnictwo (na przykład silniki odrzutowe) i infrastruktura (mosty i inne konstrukcje).

Odrzucenie metalu: uzdrawianie „spawania na zimno”

W eksperymentach przeprowadzonych w Sandia National Laboratories w Nowym Meksyku naukowcy zastosowali technikę, która pociągała końcówki maleńkich metalowych kawałków około 200 razy na sekundę. Najpierw powstało i rozszerzyło się pęknięcie. Ale po 40 minutach eksperymentu metal ponownie się stopił. Naukowcy nazwali to uzdrawianie „zimnym spawaniem”.

Brad Boyce, materiałoznawca w krajowe laboratoria Sandia, którzy współpracowali w kierunku studiów Opublikowano w czasopiśmie Natura.

Samoleczenie zachodzi w skali nanometrowej

Boyce dodał: „W przeciwieństwie do samonaprawiających się robotów w„ Terminatorze ”, proces ten nie jest widoczny w skali człowieka. Dzieje się to w skali nanometrowej, a my nie byliśmy jeszcze w stanie kontrolować tego procesu”.

Kawałki metalu miały około 40 nanometrów grubości i kilka mikrometrów szerokości. Chociaż gojenie zaobserwowano tylko w eksperymentach z platyną i miedzią, Boyce powiedział, że symulacja wskazuje, że samoleczenie może wystąpić w innych metalach i że jest „całkiem prawdopodobne”, że stopy takie jak stal wykazują taką jakość.

„Można sobie wyobrazić materiały przystosowane do wykorzystania tego zachowania” – powiedział Boyce.

„Biorąc pod uwagę te nowe spostrzeżenia, mogą istnieć alternatywne strategie projektowania materiałów lub podejścia inżynieryjne, które można zastosować, aby pomóc złagodzić uszkodzenia zmęczeniowe”. Ponadto te nowe spostrzeżenia mogą rzucić światło na uszkodzenia zmęczeniowe w istniejących konstrukcjach, poprawiając naszą zdolność do interpretowania i przewidywania uszkodzeń zmęczeniowych”.

Samoleczenie obserwuje się w bardzo specyficznym środowisku za pomocą urządzenia zwanego mikroskopem elektronowym.

„Jednym z głównych pytań, które badanie pozostawiło otwarte, jest to, czy proces zachodzi również w powietrzu, a nie tylko w mikroskopijnym środowisku próżni. Ale nawet jeśli zachodzi tylko w próżni, ma to istotne implikacje dla zmęczenia statku kosmicznego lub zmęczenia związanego z pęknięciami podpowierzchniowymi, które nie są wystawione na działanie atmosfery” – powiedział Boyce.

Predyktor samoleczenia dla minerałów

Naukowcy stworzyli już kilka samonaprawiających się materiałów, w większości plastikowych. Michael Dimkovic, współautor badania i profesor inżynierii materiałowej na Texas A&M University, dziesięć lat temu przewidział samoleczenie metali.

Dimkovic słusznie uważał, że w pewnych warunkach poddanie metalu naprężeniom, które pogłębiłyby pęknięcia zmęczeniowe, może mieć odwrotny skutek.

„Obecnie myślę, że opracowanie konkretnych zastosowań naszych odkryć zajmie kolejne 10 lat” – mówi Dimkovic.

KILKA (Reuters, NaturaSNL)