Ученые впервые стали свидетелями того, как куски металла трескаются, а затем снова соединяются без какого-либо вмешательства человека, переворачивая при этом фундаментальные научные теории. Если удастся использовать недавно обнаруженный феномен, это может привести к инженерной революции, в ходе которой самовосстанавливающиеся двигатели, мосты и самолеты смогут устранять повреждения, вызванные износом, делая их более безопасными и долговечными.
Исследовательская группа из Национальной лаборатории Сандии и Техасского университета A&M описала свои результаты сегодня в журнале Nature.
«Это было совершенно потрясающе наблюдать воочию», — сказал специалист по материаловедению Sandia Брэд Бойс.
«Что мы подтвердили, так это то, что металлы обладают присущей им естественной способностью к самовосстановлению, по крайней мере, в случае усталостных повреждений на наноуровне», — сказал Бойс.
Усталостные повреждения — это один из способов изнашивания машин и, в конечном счете, их поломки. Повторяющееся напряжение или движение приводит к образованию микроскопических трещин. Со временем эти трещины растут и распространяются до тех пор, пока — щелк! Все устройство ломается, или, выражаясь научным языком, выходит из строя.
Трещина, исчезновение которой видели Бойс и его команда, была одной из таких крошечных, но последовательных трещин, измеряемых в нанометрах.
«От паяных соединений в наших электронных устройствах до двигателей наших транспортных средств и мостов, по которым мы проезжаем, эти конструкции часто непредсказуемо выходят из строя из-за циклической нагрузки, которая приводит к возникновению трещин и последующему разрушению», — сказал Бойс. «Когда они выходят из строя, нам приходится бороться с затратами на замену, потерей времени и, в некоторых случаях, даже с травмами или гибелью людей. Экономические последствия этих сбоев измеряются сотнями миллиардов долларов ежегодно для США».
Хотя ученые создали несколько самовосстанавливающихся материалов, в основном пластмасс, понятие самовосстанавливающегося металла в значительной степени было областью научной фантастики.
«Ожидалось, что трещины в металлах будут только увеличиваться, а не уменьшаться. Даже некоторые из базовых уравнений, которые мы используем для описания роста трещин, исключают возможность таких процессов заживления», — сказал Бойс.
Неожиданное открытие, подтвержденное автором теории
В 2013 году Майкл Демкович — в то время доцент кафедры материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института, а ныне профессор Texas A&M — начал осваивать теорию традиционных материалов. Он опубликовал новую теорию, основанную на результатах компьютерного моделирования, согласно которой при определенных условиях металл должен быть способен заделывать трещины, образовавшиеся в результате износа.
Открытие, что его теория верна, произошло случайно в Центре интегрированных нанотехнологий, учреждении Министерства энергетики, совместно управляемом Сандией и Лос-Аламосской национальной лабораторией.
«Мы, конечно, этого не искали», — сказал Бойс.
Халид Хаттар, ныне доцент Университета Теннесси в Ноксвилле, и Крис Барр, который сейчас работает в Управлении ядерной энергетики Министерства энергетики, проводили эксперимент в Сандии, когда было сделано открытие. Они всего лишь намеревались оценить, как образуются и распространяются трещины в наноразмерном куске платины, используя разработанную ими специальную технику электронного микроскопа, позволяющую многократно натягивать концы металла 200 раз в секунду.
Удивительно, но примерно через 40 минут после начала эксперимента повреждение обратилось вспять. Один конец трещины снова сросся, как будто она возвращалась по своим следам, не оставляя никаких следов прежнего повреждения. Со временем трещина зарастала в другом направлении.
Хаттар назвал это «беспрецедентным прозрением».
Бойс, который был знаком с этой теорией, поделился своими выводами с Демковичем.
«Я, конечно, был очень рад это услышать», — сказал Демкович. Затем профессор воссоздал эксперимент на компьютерной модели, доказав, что явление, наблюдавшееся в Сандии, было тем же самым, о котором он теоретизировал годами ранее.
Их работа была поддержана Научным отделом фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики, Национальным управлением ядерной безопасности и Национальным научным фондом.
Многое остается неизвестным о процессе самовосстановления, в том числе о том, станет ли он практичным инструментом в производственных условиях.
«Степень, в которой эти выводы поддаются обобщению, вероятно, станет предметом обширных исследований», — сказал Бойс. «Мы показываем, что это происходит в нанокристаллических металлах в вакууме. Но мы не знаем, может ли это также быть вызвано в обычных металлах, находящихся в воздухе».
Тем не менее, несмотря на все неизвестное, это открытие остается скачком вперед на переднем крае материаловедения.
«Я надеюсь, что это открытие побудит исследователей материалов задуматься о том, что при определенных обстоятельствах материалы могут делать то, чего мы никогда не ожидали», — сказал Демкович.