Агентство Reuters (Великобритания) публикует материал о том, в каких сферах найдёт применение недавно открытый эффект самовосстановления металлов.
В фильме Джеймса Кэмерона «Терминатор-2: Судный день» путешествующий во времени злобный андроид из жидкого металла по имени Т-1000 менял свою форму и демонстрировал такое уникальное качество, как самозаживление тела при поражении взрывом или пулей. В 1991 году, когда вышел этот блокбастер, подобное казалось фантастикой. Спустя тридцать с небольшим лет всё иначе.
В конце июля 2023 года учёные представили описание процесса, при котором кусочки чистой платины и меди самопроизвольно залечивали усталостные трещины во время наномасштабных экспериментов. Целью подобных опытов было выяснить, как такие трещины образуются и распространяются в металле, находящемся под нагрузкой.
Усталость металла является одной из главных проблем, пожалуй, всех отраслей, где применяются металлы.
Усталость металла возникает, когда в деталях машин, транспортных средств и конструкций появляются микроскопические трещины после многократного воздействия нагрузки, движения или повреждения. Со временем трещины увеличиваются, что может привести к полному разрушению, например, авиационных реактивных двигателей, мостов и других объектов инфраструктуры.
В экспериментах, проводимых в Национальной лаборатории Сандия в штате Нью-Мексико (США), учёные использовали установку, позволяющую растягивать крошечные металлические кусочки примерно 200 раз в секунду.
Первоначальным результатом воздействия стало образование и распространение трещин, однако примерно через 40 минут после начала эксперимента металл снова сплавился. Исследователи назвали это исцеление «холодной сваркой».
«Процесс холодной сварки — это металлургический процесс, который, как известно, происходит, когда две относительно гладкие и чистые поверхности металла соединяются вместе для восстановления атомных связей», — говорит Брэд Бойс, научный сотрудник Национальной лаборатории Сандия, участвовавший в проведении эксперимента, результаты которого были опубликованы в авторитетном британском научном издании Nature.
Сотрудники Национальной лаборатории Сандия.
«В отличие от самовосстановления роботов в фильме «Терминатор», этот эффект не виден невооружённым глазом. Он происходит в наномасштабе, и нам ещё предстоит научиться контролировать процесс «холодной сварки», — добавляет Бойс.
Кусочки металла имели толщину около 40 нанометров и длину в несколько микрометров. Хотя в ходе экспериментов эффект самозаживления наблюдался только в платине и меди, Бойс заявил, что компьютерное моделирование показало возможность аналогичного процесса и в других металлах, и «высокую вероятность» того, что сплавы, в частности сталь, могут проявлять это качество. «Есть возможность прогнозировать, какие материалы будут обладать способностью к самозаживлению», — отмечает исследователь.
«С учётом этих новых знаний могут быть использованы альтернативные стратегии проектирования материалов или инженерные подходы, которые предстоит разработать, чтобы помочь смягчить эффект усталостного разрушения. Кроме того, сделанное открытие может пролить свет на механизм усталостного разрушения в существующих конструкциях, что позволит нам лучше понимать этот процесс и прогнозировать возникновение таких проблем», — говорит Бойс.
Открытие ученых позволяет смягчить эффект усталостного разрушения металлов.
В прошлом учёные уже создавали некоторые самовосстанавливающиеся материалы, в основном пластмассы. Соавтор исследования Майкл Демкович, профессор материаловедения и инженерии ведущего Техасского университета A&M, десять лет назад предсказал самовосстановление металла.
Демкович правильно рассчитал, что при определённых условиях нагрузки на металл, которые обычно приводят к разрастанию усталостных трещин, могут иметь противоположный эффект. «Сейчас я считаю, что для разработки способов практического применения нашего открытия потребуется ещё 10 лет», — говорит Демкович.
«Когда я впервые представил результаты своих расчётов, некоторые представители прессы утверждали, что я работаю над созданием андроида по типу Т-1000. Пока это ещё научная фантастика, — продолжает Демкович. — Однако в конце телесериала «Звёздный крейсер "Галактика"» команда адаптировала некоторые технологии Сайлонов (вымышленная раса роботов. — Прим. ред.), чтобы устранить усталостные повреждения своего корабля, заставив металл вести себя наподобие органической ткани, обладающей способностью к самозаживлению. Я бы сказал, что то, над чем мы работаем, больше похоже на этот пример из «Звёздного крейсера…».
Металлы, как и органические ткани, имеют способность к самозаживлению.
Самовосстановление наблюдали в очень специфической среде с помощью специализированного метода просвечивающей электронной микроскопии, разработанного учёными Халидом Хаттаром, Дэном Баффордом и Крисом Барром.
«По итогам исследования один из фундаментальных вопросов, оставшихся открытыми, заключается в том, происходит ли «холодная сварка» и в воздухе, а не только в вакуумной среде микроскопа. Но даже если для самовосстановления металлов требуется вакуум, сделанное открытие имеет важные последствия для решения, например, проблемы усталостного разрушения космических аппаратов», — подытожил Брэд Бойс.
Перевод Виктора Симионова
