Команда из Сандийской национальной лаборатории и Техасского университета A&M проверяла стойкость металла, используя специализированную технику, чтобы растягивать металлическую пластинку 200 раз в секунду. Пластинка покрылась трещинами, вызванными процессом деформации. Эти микротрещины известны как «усталостное повреждение»: повторяющиеся напряжения и движения вызывают микроскопические разрывы, которые в конечном итоге приводят к поломке машин и разрушению конструкций.
Металлы способны восстанавливать свои микротрещины
Ученые из Техасского университета наблюдали процесс восстановления микротрещин в платиновой нанопластинки. Такой процесс самовосстановления металла дает надежду, что удастся создать такие условия, что металлы в реальных конструкциях и устройствах тоже смогут восстанавливать после «усталостного повреждения»
Силы растяжения (красные стрелки) создали трещину, которая восстановилась (зеленая). Dan Thompson/Sandia National Laboratories
Явление, которое называют «усталостью металла» или «усталостным повреждением», хорошо известно. После длительного использования в металле возникают микротрещины, и в какой момент металл может разрушиться. С такими повреждениями связаны многие катастрофы, в том том числе авария на Саяно-Шушенской ГЭС. Как бороться с усталостью металла сегодня не понятно.
Но ученые увидели, что примерно через 40 минут после того как напряжение было снято, трещина в платине начала затягиваться. Исследование было опубликовано в журнале Nature.
Материаловед Брэд Бойс из Сандийской национальной лаборатории говорит: «Мы, конечно, не ждали этого. Но мы подтвердили, что металлы обладают собственной естественной способностью к самовосстановлению, по крайней мере, в случае усталостного повреждения на наноуровне. Мы пока не знаем, как именно это происходит и как мы можем это использовать. Однако если вспомнить о затратах и усилиях, необходимых для ремонта всего вообще — от мостов до двигателей и телефонов, — то становится ясно, какую пользу могут принести самовосстанавливающиеся металлы».
Почему металл восстанавливается
Подробные наблюдения за процессом восстановления металла
В 2013 году материаловед из Техасского университета A&M Майкл Демкович работал над исследованием, в котором предсказывалось, что подобное заживление нанотрещин может происходить благодаря тому, что крошечные кристаллические зерна внутри металлов смещаются в ответ на давление. Это смещение может объяснить процесс восстановления.
Еще один многообещающий аспект исследования: процесс восстановления происходит при комнатной температуре. Обычно металлу требуется большое количество тепла, чтобы изменить свою форму. Но эксперимент проводился в вакууме и еще предстоит выяснить, пойдет ли такой же процесс с обычными металлами в обычной среде.
Возможное объяснение связано с процессом, известным как холодная сварка, который происходит при температуре окружающей среды, когда металлические поверхности сближаются настолько, что их атомы «сцепляются» друг с другом.
Обычно этому процессу мешают тонкие слои воздуха или загрязняющие вещества, но в таких условиях, как вакуум в космосе, чистые металлы могут быть прижаты друг к другу настолько близко, что буквально слипаются.
«Я надеюсь, что это открытие подтолкнет исследователей материалов к мысли о том, что при правильных обстоятельствах материалы могут делать то, чего мы никогда не ожидали», — говорит Демкович.