Наблюдение за заживлением металла подтверждает предсказание техасского исследователя A&M

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 опубликованы в журнале Nature.

Было бы разумно предположить, что до этого открытия самовосстанавливающийся металл можно было найти только в научной фантастике. Доктор Майкл Демкович, профессор кафедры 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».