Совместная исследовательская группа из Sandia National Laboratories и Техасского университета A&M в США впервые выявила спонтанное заживление микротрещин в металле – явление, которое открывает новые горизонты в технике и материаловедении. Об этом сообщает сайт SciTechDaily. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Ученые из Sandia National Laboratories и Техасского университета A&M впервые пронаблюдали, как куски металла спонтанно трескаются, а затем снова сплавляются друг с другом. Это новаторское открытие противоречит давним научным теориям и может проложить путь к самым разнообразным сферам потенциального применения, включая самовосстанавливающиеся двигатели, мосты и самолеты, способные «залечивать» повреждения, вызванные износом.
Брэд Бойс, специалист по материалам Sandia, пояснил, что согласно сравнительно недавней теории металлы обладают собственной естественной способностью к самовосстановлению – по крайней мере, в случае усталостного повреждения на наноуровне.
Усталостное повреждение, как правило, проявляется в виде микроскопических трещин, которые образуются из-за многократного напряжения или движения металлической детали. Со временем эти трещины расширяются и распространяются, пока в конечном итоге устройство не утратит свою работоспособность.
«От паяных соединений в электронных устройствах до двигателей автомобилей и мостовых металлоконструкций – все эти элементы часто непредсказуемо выходят из строя из-за циклической нагрузки, которая приводит к возникновению трещин и, в конечном итоге, разрушению. Это оборачивается затратами на замену, потерянным временем, а в некоторых случаях, даже с травмами или гибелью людей. Экономические последствия подобных повреждений только для США измеряются сотнями миллиардов долларов ежегодно», – отметил Бойс.
Некоторые виды самовосстанавливающихся материалов (главным образом пластмассы) уже разработаны учеными, но концепция самовосстанавливающегося металла в целом причислялась к области научной фантастики. Однако это давнее представление начал оспаривать в 2013 году Майкл Демкович, в то время доцент кафедры материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института, а ныне профессор Texas A&M. Он опубликовал новую теорию, основанную на компьютерном моделировании, согласно которой в определенных условиях металлы должны быть способны самозаживлять трещины, вызванные износом.
Подтверждение теории Демковича было непреднамеренно получено в Центре интегрированных нанотехнологий, пользовательском объекте Министерства энергетики США, которым совместно управляют национальные лаборатории Сандия и Лос-Аламос.
Халид Хаттар, ныне адъюнкт-профессор Университета Теннесси в Ноксвилле, и Крис Барр, который сейчас работает в Управлении ядерной энергии Министерства энергетики США, проводили эксперимент в Сандии, всего лишь намереваясь оценить, как образуются и распространяются трещины через наноразмерный кусок платины. Они использовали специальную технику электронного микроскопа, чтобы многократно тянуть за концы металла 200 раз в секунду и фиксировать результаты.
К удивлению исследователей, примерно через 40 минут эксперимента повреждения перестали увеличиваться. Напротив, один конец трещины снова сросся, возвращаясь к прежнему состоянию. Однако со временем трещина разрослась в другом направлении.
Хаттар назвал это «беспрецедентным открытием». А Бойс, который был знаком с новой теорией, поделился своими открытиями с профессором Демковичем. Позднее ученые воссоздали эксперимент на компьютерной модели, подтвердив, что явление, наблюдавшееся в Сандии, было тем же самым, что предсказывала теория Демковича.
О выявленном процессе самовосстановления многое все еще остается неизвестным, в том числе о том, станет ли он практическим инструментом в производственных условиях. «Мы показали, как это происходит в нанокристаллических металлах в вакууме. Но мы не знаем, может ли это также быть вызвано обычными металлами в воздухе», – отметил Бойс. Тем не менее, открытие остается прорывом вперед на переднем крае материаловедения.