Ученые обнаружили природную способность металлов к самовосстановлению
Перед лицом проблем, связанных с долговечностью материалов, недавнее открытие может изменить наш подход: самовосстанавливающийся металл. Это открытие, основанное на присущей металлам способности к самовосстановлению, может продлить срок службы компонентов в различных отраслях, включая аэрокосмическую. Однако остаются нерешенные проблемы, в том числе оптимизация и контроль этого процесса, а также его масштабирование.
В мире, где инновации стоят на первом месте, исследователи ищут новые решения, чтобы ответить на вызовы современности. Одной из таких проблем является долговечность материалов - важнейший вопрос для многих отраслей промышленности.
Недавно исследовательская группа из Сандийской национальной лаборатории и Техасского университета A&M сделала открытие, которое может перевернуть наше представление о металлах, какими мы их знаем: самовосстанавливающийся металл.
Если это явление удастся использовать в широких масштабах, то это станет началом технической революции, в результате которой самовосстанавливающиеся двигатели, мосты и самолеты смогут устранять последствия износа, делая их более безопасными и долговечными. Работа опубликована в журнале .
Понимание концепции самовосстановления
Это далеко не концепция, взятая из научно-фантастического романа, самовосстанавливающийся металл — это осязаемая реальность, возникшая благодаря естественному процессу. Действительно, металлы обладают внутренней способностью к самовосстановлению. Это свойство было подчеркнуто исследователями, которые наблюдали, что под действием напряжения в металлах могут образовываться микротрещины.
Эти микротрещины, хотя и крошечные, могут восприниматься как повреждения материала. Однако вместо того, чтобы ухудшаться или оставаться стабильными, эти трещины закрываются сами по себе. Это явление, известное как "холодная сварка", представляет собой своеобразный процесс заживления, который металл осуществляет самостоятельно, без какого-либо внешнего вмешательства.
Это естественный механизм, позволяющий металлу сохранять свою структурную целостность в условиях нагрузок, которым он подвергается. Это открытие, раскрывающее новую грань природы металлов, открывает беспрецедентные перспективы для будущего материаловедения.
Металлы неожиданно предстали в новом свете
Но это открытие было сделано случайно! Авторы просто хотели оценить, как образуются и распространяются трещины в куске платины в нанометрическом масштабе. Для этого они использовали специальную методику электронной микроскопии, разработанную ими для наблюдения последствий механических нагрузок, которая заключалась в многократном потягивании за концы куска металла 200 раз в секунду.
Нанометрический масштаб, составляющий порядка миллиардной доли метра, настолько мал, что позволяет наблюдать явления на уровне атомов и молекул. Именно в этом масштабе исследователи смогли наблюдать образование и закрытие микротрещин, раскрывающих процесс самовосстановления металлов.
Удивительно, но примерно через 40 минут после начала эксперимента повреждение изменилось на противоположное. Один конец трещины сросся, как бы втягиваясь, не оставив следов старого повреждения. Со временем трещина регенерировала в другом направлении.
Эти наблюдения, ставшие возможными благодаря развитию наблюдательных технологий, показали, что металлы обладают способностью "самоисцеляться" автономно, без необходимости внешнего вмешательства.
Последствия этого открытия
Самовосстановление металлов ставит под сомнение наши традиционные представления о них и открывает путь к новым потенциальным применениям в различных областях техники и технологий. Как отмечает в пресс-релизе Брэд Бойс (Brad Boyce), материаловед из лаборатории Sandia: "От паяных соединений в наших электронных устройствах до двигателей в наших автомобилях и мостов, по которым мы ездим, эти конструкции часто выходят из строя непредсказуемым образом из-за циклических нагрузок, которые приводят к образованию трещин и, в конечном итоге, к разрушению".
Он добавляет: "Когда они выходят из строя, мы сталкиваемся с расходами на замену, потерей рабочего времени, а в некоторых случаях - с травмами и более серьезными последствиями. Экономический эффект от таких отказов измеряется сотнями миллиардов долларов в год для США".
В аэрокосмической промышленности, где материалы подвергаются экстремальным нагрузкам, использование самовосстанавливающихся металлов могло бы продлить срок службы компонентов и снизить затраты на обслуживание.
Несмотря на энтузиазм, вызванный этим открытием, до сих пор ничего не сделано. На данный момент исследователи лишь наблюдают и изучают это явление на поверхности. Им еще предстоит понять, как оптимизировать этот процесс самовосстановления и как им управлять. Кроме того, еще предстоит выяснить, можно ли воспроизвести это свойство в больших масштабах.
Тем не менее открытие способности металлов к самовосстановлению - это еще один шаг на пути к более устойчивому будущему. Продлив срок службы материалов и уменьшив необходимость их частой замены, мы сможем уменьшить наш экологический след и немного быстрее продвинуться к более экологичному будущему.