科學家首次發(fā)現(xiàn)金屬裂紋可自修復，可能引發(fā)一場工程革命

科學家首次目睹了斷裂的金屬碎片在沒有任何人為干預的情況下融合在一起，這一過程推翻了基本的科學理論。如果能夠將這種新發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象加以利用，可能會引發(fā)一場工程革命：自我修復的發(fā)動機、橋梁和飛機可以逆轉磨損造成的損害，從而更安全、更耐用。

7月19日，美國桑迪亞國家實驗室和得克薩斯農(nóng)工大學聯(lián)合研究小組在《自然》上描述了這一發(fā)現(xiàn)。

“親眼看到這一切絕對令人震驚。”桑迪亞國家實驗室材料科學家Brad Boyce說，“我們已經(jīng)證實，金屬有自己內在的、自然的自我愈合能力，至少在納米級疲勞損傷的情況下是這樣。”

疲勞損傷是機器磨損并最終損壞的一種方式。反復的應力或運動導致微觀裂紋的形成。隨著時間推移，這些裂紋會生長和擴散，直至斷裂。

Boyce團隊看到的消失的裂縫就是以納米為單位的微小但重要的裂縫。

“從電子設備的焊點到汽車發(fā)動機再到橋梁，這些結構經(jīng)常由于循環(huán)載荷而發(fā)生不可預測的故障，從而導致裂紋產(chǎn)生并最終斷裂。”Boyce說，“當故障發(fā)生時，我們必須面對重置產(chǎn)生的成本和時間損失，在某些情況下，甚至還有人員傷亡。這些故障對美國的經(jīng)濟影響每年以數(shù)千億美元來衡量。”

雖然科學家已經(jīng)創(chuàng)造了一些自修復材料——主要是塑料，但自修復金屬的概念在很大程度上仍只存在于科幻小說中。

“金屬裂紋只會變得更大，而不是更小。即使是我們用來描述裂紋生長的一些基本方程也排除了這種自愈的可能性。”Boyce說。

2013年，時任美國麻省理工學院材料科學與工程系助理教授、現(xiàn)得克薩斯農(nóng)工大學教授Michael Demkowicz開始研究傳統(tǒng)材料理論。他發(fā)表了一項基于計算機模擬結果的新理論，認為在某些條件下，金屬應該能夠修復由磨損形成的裂紋。

由桑迪亞國家實驗室和美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室聯(lián)合運營的綜合納米技術中心則在無意中發(fā)現(xiàn)，Demkowicz的理論是正確的。

現(xiàn)為美國田納西大學副教授的Khalid Hattar和現(xiàn)在能源部核能辦公室工作的Chris Barr在桑迪亞國家實驗室工作時有了這一發(fā)現(xiàn)。當時，他們只是想使用自己開發(fā)的一種專門的電子顯微鏡技術評估裂紋是如何在納米級的鉑片中形成和擴散的，該技術可在金屬末端以每秒200次的速度對其進行反復拉扯。

令人驚訝的是，實驗開始約40分鐘后，損傷發(fā)生了逆轉。裂縫的一端融合在一起，仿佛實現(xiàn)原路返回，沒有留下任何受損的痕跡。隨著時間推移，裂紋沿著不同的方向重新生長。Hattar認為這是“前所未有的現(xiàn)象”。

“當然，聽到這個消息我很高興。”Demkowicz說。然后，這位教授在計算機模型上重現(xiàn)了這個實驗，證實了在桑迪亞國家實驗室看到的現(xiàn)象與他多年前提出的理論一致。

關于金屬自修復過程還有很多未知數(shù)，包括它是否會成為制造業(yè)中的實用工具。

“這些發(fā)現(xiàn)在多大程度上具有普遍性，很可能成為廣泛研究的一個課題。”Boyce說，“我們展示了在真空中的納米金屬中發(fā)生的這種情況，但不知道這種現(xiàn)象是否會在空氣中的常規(guī)金屬中存在。”

然而，盡管存在種種未知，這一發(fā)現(xiàn)仍然是材料科學前沿的一次飛躍。

Demkowicz說： “我希望這一發(fā)現(xiàn)能夠讓材料研究人員認識到，在適當情況下，材料能夠做以前人們從未預料到的事情。”

（原標題《科學家首次發(fā)現(xiàn)金屬裂紋可自修復》）

相關論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06223-0