科學家發現金屬裂紋可自動修復
科學家首次目睹了金屬碎片在沒有任何人為干預的情況下斷裂，然后融合在一起，這一過程推翻了基本的科學理論。如果這種新發現的現象能夠被利用，可能引發一場工程革命——自我修復的發動機、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工大學聯合研究小組在《自然》上描述了他們的這一發現。
桑迪亞國家實驗室材料科學家Brad Boyce說: “我們已經證實，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動機再到橋梁，這些結構經常由于循環載荷而發生不可預測的故障，從而導致裂紋的產生和最終的斷裂。”Boyce說，“當故障發生時，我們必須面對換新產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濟影響每年以數千億美元來衡量。”
雖然科學家已經創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，時任麻省理工學院材料科學與工程系助理教授、現任得克薩斯農工大學教授Michael Demkowicz開始研究傳統材料理論。他發表了一項基于計算機模擬結果的新理論，該理論認為，在某些條件下，金屬應該能夠焊接由磨損形成的裂紋。
由桑迪亞國家實驗室和美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室聯合運營的綜合納米技術中心則在無意中發現，Demkowicz的理論是正確的。
現為田納西大學副教授的Khalid Hattar和現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現。當時，他們只是想使用他們開發的一種專門的電子顯微鏡技術評估裂紋是如何在納米尺度鉑片中形成和擴散的，該技術可在金屬末端以每秒200次的速度對其反復拉扯。
令人驚訝的是，實驗開始約40分鐘后，損傷發生了逆轉。裂縫的一端融合在一起，仿佛在倒退，沒有留下以前受傷的痕跡。隨著時間推移，裂紋沿著不同的方向重新生長。Hattar認為這是“前所未有的洞見”。
“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了這個實驗，證實了在桑迪亞國家實驗室看到的現象與他多年前提出的理論是一致的。
關于金屬自修復過程還有很多未知數，包括它是否會成為制造業中的實用工具。
“這些發現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，“我們展示了這種情況在真空中的納米金屬中發生，但我們不知道這種現象是否也會在空氣中的常規金屬中存在。”
然而，盡管存在種種未知，這一發現仍然是材料科學前沿的一次飛躍。
Demkowicz說: “我希望這一發現能夠鼓勵材料研究人員認識到，在適當的情況下，材料能夠做到以前從未預料到的事情。”
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06223-0
