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

科學(xué)家首次目睹了斷裂的金屬碎片在沒(méi)有任何人為干預(yù)的情況下融合在一起，這一過(guò)程推翻了基本的科學(xué)理論。如果能夠?qū)⑦@種新發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象加以利用，可能會(huì)引發(fā)一場(chǎng)工程革命：自我修復(fù)的發(fā)動(dòng)機(jī)、橋梁和飛機(jī)可以逆轉(zhuǎn)磨損造成的損害，從而更安全、更耐用。

7月19日，美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和得克薩斯農(nóng)工大學(xué)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(duì)令人震驚。”桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)家Brad Boyce說(shuō)，“我們已經(jīng)證實(shí)，金屬有自己內(nèi)在的、自然的自我愈合能力，至少在納米級(jí)疲勞損傷的情況下是這樣。”

疲勞損傷是機(jī)器磨損并最終損壞的一種方式。反復(fù)的應(yīng)力或運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致微觀裂紋的形成。隨著時(shí)間推移，這些裂紋會(huì)生長(zhǎng)和擴(kuò)散，直至斷裂。

Boyce團(tuán)隊(duì)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(shè)備的焊點(diǎn)到汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)再到橋梁，這些結(jié)構(gòu)經(jīng)常由于循環(huán)載荷而發(fā)生不可預(yù)測(cè)的故障，從而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生并最終斷裂。”Boyce說(shuō)，“當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，我們必須面對(duì)重置產(chǎn)生的成本和時(shí)間損失，在某些情況下，甚至還有人員傷亡。這些故障對(duì)美國(guó)的經(jīng)濟(jì)影響每年以數(shù)千億美元來(lái)衡量。”

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

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

2013年，時(shí)任美國(guó)麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系助理教授、現(xiàn)得克薩斯農(nóng)工大學(xué)教授Michael Demkowicz開(kāi)始研究傳統(tǒng)材料理論。他發(fā)表了一項(xiàng)基于計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果的新理論，認(rèn)為在某些條件下，金屬應(yīng)該能夠修復(fù)由磨損形成的裂紋。

由桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合運(yùn)營(yíng)的綜合納米技術(shù)中心則在無(wú)意中發(fā)現(xiàn)，Demkowicz的理論是正確的。

現(xiàn)為美國(guó)田納西大學(xué)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室工作時(shí)有了這一發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時(shí)，他們只是想使用自己開(kāi)發(fā)的一種專(zhuān)門(mén)的電子顯微鏡技術(shù)評(píng)估裂紋是如何在納米級(jí)的鉑片中形成和擴(kuò)散的，該技術(shù)可在金屬末端以每秒200次的速度對(duì)其進(jìn)行反復(fù)拉扯。

令人驚訝的是，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始約40分鐘后，損傷發(fā)生了逆轉(zhuǎn)。裂縫的一端融合在一起，仿佛實(shí)現(xiàn)原路返回，沒(méi)有留下任何受損的痕跡。隨著時(shí)間推移，裂紋沿著不同的方向重新生長(zhǎng)。Hattar認(rèn)為這是“前所未有的現(xiàn)象”。

“當(dāng)然，聽(tīng)到這個(gè)消息我很高興。”Demkowicz說(shuō)。然后，這位教授在計(jì)算機(jī)模型上重現(xiàn)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了在桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室看到的現(xiàn)象與他多年前提出的理論一致。

關(guān)于金屬自修復(fù)過(guò)程還有很多未知數(shù)，包括它是否會(huì)成為制造業(yè)中的實(shí)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(gè)課題。”Boyce說(shuō)，“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(huì)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(xué)前沿的一次飛躍。

Demkowicz說(shuō)： “我希望這一發(fā)現(xiàn)能夠讓材料研究人員認(rèn)識(shí)到，在適當(dāng)情況下，材料能夠做以前人們從未預(yù)料到的事情。”

（原標(biāo)題《科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)金屬裂紋可自修復(fù)》）

相關(guān)論文信息：

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