Ein gesprungenes Stück Metall heilte sich in einem Experiment, das Wissenschaftler verblüffte: ScienceAlert

Jul 05, 2023

Archivieren Sie dies unter „Das darf nicht passieren!“: Wissenschaftler beobachteten, wie sich ein Metall selbst heilte, etwas, das noch nie zuvor gesehen wurde. Wenn dieser Prozess vollständig verstanden und kontrolliert werden kann, könnten wir am Beginn einer völlig neuen Ära der Technik stehen.

Ein Team der Sandia National Laboratories und der Texas A&M University testete die Widerstandsfähigkeit des Metalls, indem es mit einem speziellen Transmissionselektronenmikroskop 200 Mal pro Sekunde an den Enden des Metalls zog. Anschließend beobachteten sie die Selbstheilung in ultrakleinen Maßstäben in einem 40 Nanometer dicken Stück Platin, das im Vakuum suspendiert war.

Risse, die durch die oben beschriebene Belastung verursacht werden, werden als Ermüdungsschäden bezeichnet: wiederholte Belastungen und Bewegungen, die zu mikroskopischen Brüchen führen und schließlich zum Bruch von Maschinen oder Strukturen führen. Erstaunlicherweise begann der Riss im Platin nach etwa 40 Minuten Beobachtung wieder zusammenzuwachsen und sich zu reparieren, bevor er in einer anderen Richtung wieder anfing.

„Es war absolut atemberaubend, das aus erster Hand zu beobachten“, sagt der Materialwissenschaftler Brad Boyce von den Sandia National Laboratories. „Wir haben bestimmt nicht danach gesucht.“

„Was wir bestätigt haben, ist, dass Metalle eine intrinsische, natürliche Fähigkeit zur Selbstheilung besitzen, zumindest im Fall von Ermüdungsschäden im Nanomaßstab.“

Das sind genaue Bedingungen, und wir wissen noch nicht genau, wie das geschieht und wie wir es nutzen können. Wenn man jedoch über die Kosten und den Aufwand nachdenkt, die für die Reparatur von Brücken, Motoren und Telefonen erforderlich sind, ist nicht abzusehen, welchen Unterschied selbstheilende Metalle machen könnten.

Und obwohl die Beobachtung beispiellos ist, ist sie nicht völlig unerwartet. Im Jahr 2013 arbeitete der Materialwissenschaftler der Texas A&M University, Michael Demkowicz, an einer Studie, in der er vorhersagte, dass diese Art der Heilung von Nanorissen stattfinden könnte, angetrieben durch die winzigen kristallinen Körner im Inneren von Metallen, die im Wesentlichen ihre Grenzen als Reaktion auf Stress verschieben.

Demkowicz arbeitete auch an dieser neuesten Studie und nutzte aktualisierte Computermodelle, um zu zeigen, dass seine jahrzehntealten Theorien über das Selbstheilungsverhalten von Metallen im Nanomaßstab mit dem übereinstimmten, was hier geschah.

Dass der automatische Reparaturprozess bei Raumtemperatur stattfand, ist ein weiterer vielversprechender Aspekt der Forschung. Metall benötigt normalerweise viel Wärme, um seine Form zu verändern, aber das Experiment wurde im Vakuum durchgeführt; Es bleibt abzuwarten, ob der gleiche Prozess bei herkömmlichen Metallen in einer typischen Umgebung abläuft.

Eine mögliche Erklärung ist ein als Kaltschweißen bekannter Prozess, der bei Umgebungstemperaturen auftritt, wenn Metalloberflächen so nah aneinander kommen, dass sich ihre jeweiligen Atome verheddern. Typischerweise stören dünne Luftschichten oder Verunreinigungen den Prozess; In Umgebungen wie dem Vakuum des Weltraums können reine Metalle so eng zusammengedrückt werden, dass sie buchstäblich zusammenkleben.

„Ich hoffe, dass dieser Befund Materialforscher dazu ermutigen wird, darüber nachzudenken, dass Materialien unter den richtigen Umständen Dinge tun können, die wir nie erwartet hätten“, sagt Demkowicz.

Die Forschung wurde in Nature veröffentlicht.