Samonaprawiający się minerał? To nie tylko elementy science fiction

Szacowany czas czytania: 3-4 minuty

WASHINGTON – W filmie „Terminator 2: Dzień sądu” z 1991 roku złowrogi, podróżujący w czasie, zmiennokształtny robot o nazwie T-1000 wykonany z płynnego metalu wykazuje wyjątkową jakość. Jeśli trafi ją eksplozja lub kula, jej metal sam się zagoi.

Samonaprawiający się minerał to wciąż tylko science fiction, prawda? Najwyraźniej nie.

W środę naukowcy opisali, w jaki sposób kawałki czystej platyny i miedzi spontanicznie leczą pęknięcia naprężeniowe metalu podczas nanoskalowych eksperymentów zaprojektowanych w celu zbadania, w jaki sposób te pęknięcia tworzą się i rozprzestrzeniają w metalu pod wpływem naprężeń. Wyrazili optymizm, że tę zdolność można wykorzystać w minerałach do tworzenia samonaprawiających się maszyn i struktur w stosunkowo niedalekiej przyszłości.

Naprężenie metalu występuje, gdy metal — w tym części maszyn, pojazdów i konstrukcji — utrzymuje mikroskopijne pęknięcia po narażeniu na powtarzające się naprężenia lub ruch, uszkodzenia, które z czasem ulegają pogorszeniu. Zmęczenie metali może powodować katastrofalne w skutkach awarie w obszarach takich jak lotnictwo – na przykład silniki odrzutowe – oraz infrastruktura – mosty i inne konstrukcje.

W eksperymentach przeprowadzonych w Sandia National Laboratories rządu USA w Nowym Meksyku naukowcy wykorzystali technikę wkręcania końcówek małych kawałków metalu około 200 razy na sekundę. Pęknięcie powstało i początkowo się rozprzestrzeniło. Ale po około 40 minutach eksperymentu metal ponownie się stopił.

Naukowcy nazwali to uzdrawianie „zimnym spawaniem”.

„Spawanie na zimno to proces metalurgiczny, o którym wiadomo, że zachodzi, gdy dwie stosunkowo gładkie, czyste powierzchnie metalu są łączone w celu utrwalenia wiązań atomowych” – powiedział Brad Boyce, naukowiec zajmujący się materiałami Sandia National Laboratories, który pomógł poprowadzić badanie opublikowane w czasopiśmie Nature.

Boyce dodał: „W przeciwieństwie do samonaprawiających się robotów w„ Terminatorze ”, proces ten nie jest widoczny na poziomie człowieka. Dzieje się to w nanoskali i nadal musimy kontrolować ten proces”.

Kawałki metalu miały grubość 40 nanometrów i szerokość kilku mikrometrów. Chociaż gojenie zaobserwowano w eksperymentach tylko z platyną i miedzią, Boyce powiedział, że symulacja wskazuje, że samoleczenie może wystąpić w innych metalach i że jest „całkiem prawdopodobne”, że stopy takie jak stal wykazują taką jakość.

„Możliwe jest wyobrażenie sobie materiałów zaprojektowanych w celu wykorzystania tego zachowania” – powiedział Boyce.

Boyce dodał: „Biorąc pod uwagę tę nową wiedzę, mogą istnieć alternatywne strategie projektowania materiałów lub podejścia inżynierskie, które można zastosować, aby pomóc złagodzić awarie zmęczeniowe. Ponadto to nowe zrozumienie może rzucić światło na awarie zmęczeniowe w istniejących konstrukcjach – poprawiając naszą zdolność wyjaśniania i przewidywania takich awarii”.

W przeszłości naukowcy stworzyli kilka materiałów samonaprawiających się, w większości z tworzyw sztucznych. Współautor badania, Michael Dimkovic, profesor inżynierii materiałowej i inżynierii materiałowej na Texas A&M University, przewidział samoleczenie w metalach dziesięć lat temu.

Dimkovic prawidłowo odkrył, że w pewnych warunkach poddanie metalu naprężeniom, które w normalnych warunkach zaostrzyłyby pęknięcia zmęczeniowe, może mieć odwrotny skutek.

„Obecnie wierzę, że opracowanie konkretnych zastosowań naszych odkryć zajmie kolejne 10 lat” – powiedział Dimkovic.

„Kiedy po raz pierwszy przedstawiłem swoje przewidywania, niektóre gazety napisały, że pracuję nad T-1000” — powiedział Dimkovic. „To wciąż science fiction”. „Jednak pod koniec[serialu telewizyjnego]„Battlestar Galactica” załoga dostosowuje technologię Cylonów (fikcyjnej rasy robotów), aby pomóc wyleczyć uszkodzenia zmęczeniowe ich statku, sprawiając, że metal zachowuje się jak organiczna tkanka, która może leczyć własne rany. Powiedziałbym, że to, nad czym pracujemy, jest bardziej zgodne z przykładem „Battlestar Galactica”.

Samoleczenie obserwuje się w bardzo specyficznym środowisku za pomocą urządzenia zwanego mikroskopem elektronowym.

„Jednym z głównych pytań, które pozostały otwarte po badaniu, jest to, czy proces zachodzi również w powietrzu, a nie tylko w mikroskopijnym środowisku próżniowym. Ale nawet jeśli zachodzi tylko w próżni, nadal ma ważne implikacje dla zmęczenia statku kosmicznego lub zmęczenia związanego z pęknięciami podpowierzchniowymi, które nie są wystawione na działanie atmosfery” – powiedział Boyce.

×

powiązane historie

Najnowsze historie naukowe