自愈金屬？科學(xué)家發(fā)現(xiàn)金屬自我修復(fù)能力

2023-07-20 18:38?來源 溫州在線

自愈金屬？科學(xué)家發(fā)現(xiàn)金屬自我修復(fù)能力

在1991年的電影《終結(jié)者2：審判日》中，一個邪惡的時間旅行和變形機器人T-1000由液態(tài)金屬制成，展現(xiàn)了獨特的品質(zhì)。受到爆炸或子彈的打擊，它的金屬會自我修復(fù)。

自愈金屬仍然只是科幻小說，對嗎？顯然不是。

2023年7月19日，科學(xué)家們描述了純鉑和銅片如何在納米級實驗中自發(fā)修復(fù)由金屬疲勞引起的裂紋，這些納米級實驗旨在研究此類裂紋如何在處于壓力下的金屬中形成和擴散。他們樂觀地認為，這種能力可以在不久的將來被應(yīng)用到金屬中，從而制造出具有自我修復(fù)能力的機器和結(jié)構(gòu)。

當金屬（包括機器、車輛和結(jié)構(gòu)中的零件）在反復(fù)受到應(yīng)力或運動后出現(xiàn)微小裂紋時，就會發(fā)生金屬疲勞，這種損壞會隨著時間的推移而惡化。金屬疲勞可能會導(dǎo)致航空（例如噴氣發(fā)動機）以及基礎(chǔ)設(shè)施（橋梁和其他結(jié)構(gòu)）等領(lǐng)域發(fā)生災(zāi)難性故障。

在位于新墨西哥州的美國政府桑迪亞國家實驗室進行的實驗中，研究人員使用了一種每秒拉動微小金屬片末端約200次的技術(shù)。裂縫最初形成并蔓延。但實驗進行約40分鐘后，金屬又重新熔合在一起。

研究人員將這種愈合稱為“冷焊”。

桑迪亞國家實驗室材料科學(xué)家布拉德·博伊斯（BradBoyce）幫助領(lǐng)導(dǎo)了在該雜志上發(fā)表的這項研究，他說：“冷焊過程是一種冶金過程，當兩個相對光滑和干凈的金屬表面結(jié)合在一起以重組原子鍵時，就會發(fā)生冷焊過程。”自然。

“與《終結(jié)者》電影中的自我修復(fù)機器人不同，這個過程在人類尺度上是不可見的。它發(fā)生在納米尺度上，我們還無法控制這個過程，”博伊斯補充道。

金屬片厚約40納米，寬幾微米。博伊斯表示，雖然實驗中僅在鉑和銅中觀察到自愈現(xiàn)象，但模擬表明其他金屬也可以發(fā)生自愈，而且像鋼這樣的合金“完全有可能”表現(xiàn)出這種特性。

博伊斯說：“可以設(shè)想利用這種行為而定制的材料。”

“鑒于這些新知識，可能會設(shè)計出替代材料設(shè)計策略或工程方法來幫助減輕疲勞失效。此外，這種新的理解可能會揭示現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中的疲勞失效-提高我們解釋和預(yù)測此類疲勞失效的能力。失敗，”博伊斯補充道。

科學(xué)家過去已經(jīng)制造了一些自愈材料，其中大部分是塑料。該研究的合著者、德克薩斯農(nóng)工大學(xué)材料科學(xué)與工程教授邁克??爾·德姆科維奇(MichaelDemkowicz)十年前就預(yù)言了金屬的自我修復(fù)能力。

德姆科維奇正確地認為，在某些條件下，將金屬置于通常會加劇疲勞相關(guān)裂紋的應(yīng)力下可能會產(chǎn)生相反的效果。

“我現(xiàn)在的猜測是，我們的發(fā)現(xiàn)的實際應(yīng)用還需要10年的時間才能開發(fā)出來，”德姆科維奇說。

“當我第一次做出預(yù)測時，一些媒體說我正在研發(fā)T-1000。這仍然是科幻小說，”德姆科維奇說。“然而，在電視劇《太空堡壘卡拉狄加》的結(jié)尾，劇組人員采用了一些賽昂（虛構(gòu)的機器人種族）技術(shù)來幫助治愈飛船的疲勞損傷，使金屬表現(xiàn)得更像是可以治愈自身的有機組織傷口。我想說我們正在做的事情更像是《太空堡壘卡拉狄加》的例子。”

使用一種稱為電子顯微鏡的設(shè)備在非常特定的環(huán)境中觀察到自愈現(xiàn)象。

“這項研究留下的一個大問題是，這個過程是否也發(fā)生在空氣中，而不僅僅是顯微鏡的真空環(huán)境中。但即使它只發(fā)生在真空中，它仍然對航天器的疲勞產(chǎn)生重要影響，或者與未暴露在大氣中的地下裂紋相關(guān)的疲勞，”博伊斯說。

編輯： yujeu