科學家驚人發現!金屬可以自我修復?

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疲勞損壞是機器磨損並導致最終損壞的一種方式。2013年,邁克爾·德姆科維奇Michael Demkowicz,根據計算機模擬的結果發表了一項新理論,即在某些條件下,金屬能夠焊接封閉因磨損而形成的裂紋。儘管存在諸多未知因素,這一發現仍然是材料科學前沿的一次飛躍。

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實驗中微觀裂紋消失,揭示了金屬自我修復的可能性
新墨西哥州阿爾伯克基的科學家們首次目睹金屬碎片在沒有任何人為乾預的情況下破裂,然後重新融合在一起,顛覆了這一過程中的基本科學理論。如果能夠利用這一新發現的現象,它可能會引發一場工程革命。在這場革命中,自我修復的發動機、橋樑和飛機可以逆轉磨損造成的損壞,使它們更安全、更持久。

桑迪亞國家實驗室研究員 Ryan Schoell 使用由 Khalid Hattar、Dan Bufford 和 Chris Barr 開發的專用透射電子顯微鏡技術來研究納米級的疲勞裂紋。

來自桑迪亞國家實驗室和德克薩斯農工大學的研究小組在“自然”雜誌上描述了他們的發現。桑迪亞材料科學家布拉德·博伊斯/Brad Boyce表示:“親眼目睹這現象,絕對令人驚嘆。”“我們已經證實,金屬具有其固有的、自然的自我修復能力,至少在納米級損傷的情況下能實現。”博伊斯說。“疲勞損壞”是機器磨損並最終損壞的一種方式。重複的動作或運動會導致微觀裂紋的形成。隨著時間的推移,這些裂縫會不斷擴大並蔓延,直到一一斷裂。此外博伊斯和他的團隊看到消失的裂縫是納米級別的裂縫,但這微小的變化極其重要。

“從電子設備中的焊點到汽車發動機,再到我們行駛過的橋樑,這些結構經常會因循環載荷而出現不可預測的故障,從而導致裂紋萌生並最終斷裂,”博伊斯說,“當它們真實地出現故障時,我們必須承擔更大的更換成本、時間損失,在某些情況下甚至會發生人員傷亡的情況。這些失敗對美國每年造成的經濟影響達數千億美元。”

儘管科學家們已經創造了一些自愈材料(主要是塑料),但自愈金屬的概念在很大程度上還停留在科幻小說的領域。“人們預計金屬中的裂紋只會變得更大,而不是更小。即使我們用來描述裂紋擴展的一些基本方程,也排除了這種癒合過程的可能性。”博伊斯補充到。

理論創始人證實此項意外發現
2013年,邁克爾·德姆科維奇/Michael Demkowicz,當時是麻省理工學院材料科學與工程系的助理教授,現在是德克薩斯農工大學的正教授。他根據計算機模擬的結果發表了一項新理論,即在某些條件下,金屬能夠焊接封閉因磨損而形成的裂紋。經過時間的證明,他的理論是正確的。這個發現是在集成納米技術中心無意中發現的,該中心是由桑迪亞和洛斯阿拉莫斯國家實驗室聯合運營的能源部用戶設施。

發現這一現象時,現任田納西大學諾克斯維爾分校副教授的哈立德·哈塔爾/Khalid Hattar和現供職於能源部核能辦公室的克里斯·巴爾/Chris Barr正在桑迪亞進行這項實驗。他們只是想使用一種專門的電子顯微鏡技術來評估裂紋是如何在納米級鉑片上形成和擴散的,他們開發了一種每秒重複拉動金屬末端200次的技術。令人驚訝的是,實驗進行約40分鐘後,損壞情況發生了逆轉。裂縫的一端像原路返回一樣重新融合在一起,沒有留下先前受傷的痕跡。隨著時間的推移,裂縫沿著不同的方向重新生長。哈塔爾稱此現象前所未有!

在桑迪亞國家實驗室發現的金屬納米級自我修復的藝術渲染中,綠色標記了裂縫形成的地方,然後又融合在一起。紅色箭頭表示意外觸發該現象的拉力方向。

關於自愈過程還有很多未知之處,包括它是否會成為製造環境中的實用工具。博伊斯說:“這些發現的普遍適用程度可能會成為廣泛研究的主題。我們展示了真空中納米晶金屬中發生的這種情況,但我們不知道空氣中的傳統金屬是否也能誘導這種現象。”

然而,儘管存在諸多未知因素,這一發現仍然是材料科學前沿的一次飛躍。德姆科維奇說:“我希望這一發現能夠鼓勵材料研究人員考慮到,在適當的情況下,材料可以做到我們從未預料到的事情。”

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