Дата публикации: 21.07.2023
Материалы могут делать то,
чего мы никогда не ожидали.
Художественное представление наноразмерного самовосстановления в металле: зелёным цветом отмечено место, где образовалась трещина, а затем снова слилась воедино; красные стрелки указывают направление силы растяжения, которая неожиданно вызвала это явление. (Изображение Дэна Томпсона) Источник.
Учёные Национальных лабораторий Сандии стали первыми свидетелями автономного воссоединения треснувших кусков металла. Исследователи пребывают в некотором замешательстве, поскольку сам факт, что произошедшее случилось без какого-либо вмешательства человека, опровергает фундаментальные научные теории. Однако, эта озадаченность не мешает им восторгаться своим открытием и выражать смелые надежды на то, что умение управлять обнаруженным явлением может стать началом самой настоящей инженерной революции.
Вы только представьте самовосстанавливающиеся конструкции, мосты, повреждённый автомобильный кузов или даже двигатель. Мы сможем уже на этапе разработки закладывать в различные металлоконструкции устранение ещё не полученных физических повреждений ‒ например таких, как обычный износ деталей.
Но это всё пока слишком оптимистично. Да настолько, что такой поворот в технологиях и фантастам голову не приходил. Но открытие действительно многообещающее, и команда исследователей из Национальных лабораторий Сандии и Техасского университета A&M просто не могла им не поделиться. Свою статью она опубликовала в журнале Nature.
«Это было совершенно ошеломляюще ‒ наблюдать из первых рук, ‒ говорит Брэд Бойс, специалист по материалам в Сандии. ‒ Мы подтвердили, что металлы обладают собственной естественной способностью к самовосстановлению, по крайней мере, в случае усталостного повреждения на наноуровне».
Трещина, которую Бойс и его команда видели исчезнувшей, была одной из крошечных, но последовательных трещин, измеряемых в нанометрах, выступающих следствием усталостного повреждения материалов. Появляясь вследствие периодически повторяющихся напряжения и/или движения, они становятся одним из ключевых факторов износа машин, что, как правило, приводит к окончательным поломкам последних. Со временем эти надрывы растут и превращаются в разломы, выводя деталь, а зачастую и всё устройство из строя.
«От паяных соединений в наших электронных устройствах до двигателей наших автомобилей и мостов, по которым мы проезжаем, эти конструкции часто непредсказуемо выходят из строя из-за циклической нагрузки, которая приводит к возникновению трещин и, в конечном итоге, разрушению, ‒ говорит Бойс. ‒ Когда они выходят из строя, нам приходится бороться с затратами на замену, потерянным временем и, в некоторых случаях, даже с травмами или гибелью людей. Для США экономический ущерб от этих отказов измеряется сотнями миллиардов долларов в год».
Хотя учёные и создали некоторые самовосстанавливающиеся материалы ‒ в основном это касается пластмасс, ‒ понятие самовосстанавливающегося металла оставалось, в большинстве своём, областью научной фантастики. Да и то, много ли вы помните таких произведений?
«Предполагалось, что трещины в металлах будут только увеличиваться, а не уменьшаться. Даже некоторые из основных уравнений, которые мы используем для описания роста трещин, исключают возможность таких процессов заживления», ‒ объясняет казусность случившегося Бойс.
Неожиданное открытие, подтверждённое автором теории.
В 2013 году Майкл Демкович ‒ в то время доцент кафедры материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института, а ныне профессор Техасского университета A&M ‒ начал изучать теорию традиционных материалов. Результатом его работ стала новая теория, основанная на результатах компьютерного моделирования. Согласно ей, при определённых условиях металл должен быть способен «заваривать» трещины, образовавшиеся в результате износа.
Как водится в науке, столь смелое предположение было встречено скептически. Однако теперь верность идеи подтверждена на практике. Ну и что, что случайно («Конечно, мы его не искали», ‒ говорит Бойс.); ну и что, что непреднамеренно? Зато это произошло в Центре интегрированных нанотехнологий, пользовательском объекте Министерства энергетики США, которым совместно управляют Национальные лаборатории Сандии и Лос-Аламос. А от их заявлений подвоха не ожидаешь.
Халид Хаттар, адъюнкт-профессор Университета Теннесси в Ноксвилле, и Крис Барр из Управления ядерной энергии Министерства энергетики, вознамерились изучить процесс образования и распространения трещин в наноразмерном куске платины. Для этого они использовали специальную технику электронного микроскопа собственной разработки и 200 раз в секунду многократно растягивали металл за края.
Удивительно, но по прошествии примерно 40 минут эксперимента повреждение изменилось на прямо противоположное: один край разрыва снова сросся, не оставляя следов прежней травмы, словно вернулся назад во времени. Чуть погодя трещина распространилась в другом направлении.
Хаттар назвал это «беспрецедентным открытием», а Бойс, который был знаком с теорией самовосстановления металлов, поделился результатом с её автором.
«Конечно, я был очень рад это слышать», ‒ делится профессор Демкович. Затем он воссоздал эксперимент на компьютерной модели, подтвердив, что наблюдавшееся в Сандии явление было тем же самым, о котором он теоретизировал несколько лет назад.
Их работу поддержало Управление науки фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики; Национальное управление по ядерной безопасности и Национальный научный фонд.
Да, это самое начало долгого и сложного исследовательского пути. В этих процессах самовосстановления остаётся неизвестным слишком многое; а уж о том, станет ли оно практическим инструментом в производственных условиях и говорить пока не приходится.
«Степень, в которой эти результаты можно обобщить, вероятно, станет предметом обширных исследований, ‒ рассказывает о перспективах открытия Бойс. ‒ Мы показываем, что это происходит в нанокристаллических металлах в вакууме. Но мы не знаем, может ли это происходить и в обычных металлах в воздухе».
Тем не менее, несмотря на все неизвестные, открытие стало просто-таки гигантским прыжком практически из ниоткуда прямо на передовую материаловедения.
«Я надеюсь, что это открытие побудит исследователей материалов задуматься о том, что при правильных обстоятельствах материалы могут делать то, чего мы никогда не ожидали», ‒ назидательно отмечает Демкович.
АРМК, по материалам Сандия.
