Наблюдение за заживлением металла подтверждает предсказание исследователя

Микротрещина образовалась в очень маленьком куске платины, подвергнутом многократному растяжению. Эксперимент, предназначенный для изучения роста усталостных трещин, продолжался, как и предполагалось, некоторое время, прежде чем произошло нечто неожиданное. Трещина перестала расти, а стала короче, эффективно «заживая» сама себя.

Группа исследователей из Национальной лаборатории Сандиа сделала это удивительное наблюдение, проводя эксперименты по разрушению нанокристаллических металлов.Результаты были недавно опубликованыв журнале Nature.

Было бы разумно предположить, что до этого открытия самовосстанавливающийся металл можно было найти только в научной фантастике. Доктор Майкл Демкович, профессор факультета материаловедения и инженерии Техасского университета A&M и соавтор недавнего исследования, не придерживался подобных предположений.

Десять лет назад, будучи доцентом кафедры материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института, Демкович и его студент предсказали самовосстановление металлов.

«Мы не ставили перед собой цель найти исцеление. Мой студент, Госян Сюй, моделировал перелом», — сказал Демкович. «Мы случайно наблюдали спонтанное исцеление в одной из его симуляций и решили продолжить».

Тогда, как и сейчас, результаты 2013 года были неожиданными. Демкович добавил, что он, его ученик и коллеги несколько скептически относились к первоначальной теории. Однако в последующие годы его имитационные модели неоднократно воспроизводились и расширялись другими исследователями.

«Стало ясно, что моделирование не было ошибочным, поскольку другие видели тот же эффект в своей работе по моделированию», — сказал Демкович. «Однако до сих пор эксперименты были недоступны».

И в моделях 2013 года, и в недавнем эксперименте использовались нанокристаллические металлы, кристаллическая структура или размер зерен которых измеряется в наномасштабе (одна миллионная доли миллиметра). По словам Демковича, хотя он и не широко используется в машиностроении, большинство металлов можно производить в этой форме.

Далее он объяснил, что нанокристаллические металлы облегчают изучение самовосстановления, поскольку их небольшой размер зерна позволяет обнаруживать больше микроструктурных особенностей, с которыми могут взаимодействовать даже небольшие трещины.

Оба исследования показали, что одна из таких особенностей — границы зерен — может влиять на заживление трещин в зависимости от направления миграции границ относительно трещины. Демкович добавил, что эти особенности характерны для многих металлов и сплавов, и ими можно манипулировать.

«Основной эффект текущей работы заключается в том, чтобы убрать исходное теоретическое предсказание «с чертежной доски» и показать, что оно происходит в реальности», — сказал Демкович. «Мы еще не приступили к оптимизации микроструктур для самовосстановления. Выявление лучших изменений, способствующих самоисцелению, является сложной задачей для будущей работы».

Потенциальные применения этой работы могут быть самыми разными. Демкович предполагает, что самовосстановление возможно в обычных металлах с более крупными размерами зерен, но потребуются будущие исследования.

Одним из условий, общим как для теории 2013 года, так и для недавнего эксперимента, является то, что оба они проводились в вакууме, лишенном посторонних веществ. Такие посторонние вещества могут помешать склеиванию или холодной сварке поверхностей трещин. Даже с учетом этого ограничения все еще возможно применение космических технологий или внутренних трещин, которые не подвергаются воздействию внешнего воздуха.

Десятилетие разработки теории Демковича принесло дивиденды в эксперименте Национальной лаборатории Сандии. В рамках текущего исследования Демкович смог проверить, что недавно наблюдаемое явление соответствует его оригинальным имитационным моделям.

«Это потрясающий эксперимент. Однако я думаю, что это также большая победа для теории», — сказал Демкович. «Сложность материалов часто затрудняет уверенное предсказание новых явлений. Это открытие дает мне надежду, что наши теоретические модели поведения материалов находятся на правильном пути».