Moście – napraw się!

Koncepcja samoregenerujących się konstrukcji metalowych – mostów, statków kosmicznych bądź robotów, które mogą się same naprawiać – staje się coraz bliższa urzeczywistnienia. Po raz pierwszy naukowcy zaobserwowali, jak lity metal sam z siebie, bez udziału człowieka, likwiduje występujące w nim pęknięcia, zaprzeczając fundamentalnym teoriom materiałoznawstwa.

„Nigdy byśmy nie pomyśleli, że metal jest w stanie sam usuwać pęknięcia” – mówi Zhenan Bao, inżynier chemik ze Stanford University, który nie brał udziału w tych nowych badaniach. Zgodnie z konwencjonalnym materiałoznawstwem, przyłożenie naprężenia do pękniętego metalu powinno co najwyżej rozszerzyć te pęknięcia. Nowe odkrycia „z pewnością zmuszą nas do ponownego przemyślenia tego, jak przewidujemy mechaniczną niezawodność metalowych konstrukcji i sprzętu”, mówi Bao.

Michael Demkowicz, materiałoznawca na Texas A&M University i współautor opublikowanej ostatnio w „Nature” pracy, po raz pierwszy zaczął rozważać od strony teoretycznej kwestię samoregeneracji metali 10 lat temu, kiedy jego symulacje komputerowe wykazały, że lite metale mogą samorzutnie „zaspawywać” drobne pęknięcia. Ponieważ zmiana formy metalu zazwyczaj wymaga wysokich temperatur, wielu naukowców uważało te symulacje za błędne, mówi Demkowicz.

„Pomyślałem sobie, że to atrakcyjny model, którym można się pobawić, ale coś bardzo trudnego do eksperymentalnego zbadania w tamtym czasie” – mówi współautor badania Khalid Hattar, inżynier jądrowy z University of Tennessee w Knoxville. Potem jednak natknął się na realne dowody potwierdzające koncepcje Demkowicza. W 2016 roku wraz z naukowcami z Sandia National Laboratories badał pęknięcia nanoskalowych próbek platyny w próżni. Użyli specjalnego mikroskopu elektronowego do uderzania w metal 200 razy na sekundę i obserwowali pęknięcia rozprzestrzeniające się po jego powierzchni. Jednakże po około 40 minutach uszkodzenia zaczynały znikać; naukowcy zobaczyli, jak szczeliny z powrotem się zwierają niczym w odtwarzanym do tyłu filmie. Hattar pamięta, że pomyślał wówczas, iż chyba Mike miał jednak rację.

Zdolność do samorzutnej regeneracji pojawia się, gdy krawędzie pęknięć są dociśnięte wystarczająco blisko, aby ich atomy mogły się połączyć. W pewnych wyjątkowo podatnych obszarach nieregularności w uporządkowanej krystalicznej strukturze metalu przesuwają się pod wpływem zewnętrznej siły – powstającej na przykład w konsekwencji naturalnego zmęczenia materiału. Przemieszczające się nieregularności wywołują naprężenie ściskające, które wyzwala efekt ponownego łączenia.

Zespół Sandii i Demkowicza powtórzył swoje obserwacje zarówno z platyną, jak i miedzią. Symulacje komputerowe wskazują, że aluminium i srebro również powinny się samoregenerować, natomiast naukowcy nie wiedzą, czy stopy metali, takie jak stal, również są do tego zdolne. Nie jest również jasne, czy samoregeneracja może stać się kiedykolwiek praktycznym narzędziem poza warunkami próżniowymi; cząsteczki powietrza wewnątrz pęknięcia mogą uniemożliwić jego ponowne połączenie, twierdzi zespół. Mimo to zjawisko to sprawia, że niektórzy naukowcy zajmujący się materiałami rewidują swoją wiedzę o metalach. „W odpowiednich okolicznościach – mówi Demkowicz – materiały potrafią robić rzeczy, których nigdy byśmy się po nich nie spodziewali”.