自愈金属？科学家发现金属自我修复能力

自愈金属？科学家发现金属自我修复能力

在1991年的电影《终结者2：审判日》中，一个邪恶的时间旅行和变形机器人T-1000由液态金属制成，展现了独特的品质。受到爆炸或子弹的打击，它的金属会自我修复。

自愈金属仍然只是科幻小说，对吗？显然不是。

2023年7月19日，科学家们描述了纯铂和铜片如何在纳米级实验中自发修复由金属疲劳引起的裂纹，这些纳米级实验旨在研究此类裂纹如何在处于压力下的金属中形成和扩散。他们乐观地认为，这种能力可以在不久的将来被应用到金属中，从而制造出具有自我修复能力的机器和结构。

当金属（包括机器、车辆和结构中的零件）在反复受到应力或运动后出现微小裂纹时，就会发生金属疲劳，这种损坏会随着时间的推移而恶化。金属疲劳可能会导致航空（例如喷气发动机）以及基础设施（桥梁和其他结构）等领域发生灾难性故障。

在位于新墨西哥州的美国政府桑迪亚国家实验室进行的实验中，研究人员使用了一种每秒拉动微小金属片末端约200次的技术。裂缝最初形成并蔓延。但实验进行约40分钟后，金属又重新熔合在一起。

研究人员将这种愈合称为“冷焊”。

桑迪亚国家实验室材料科学家布拉德·博伊斯（BradBoyce）帮助领导了在该杂志上发表的这项研究，他说：“冷焊过程是一种冶金过程，当两个相对光滑和干净的金属表面结合在一起以重组原子键时，就会发生冷焊过程。”自然。

“与《终结者》电影中的自我修复机器人不同，这个过程在人类尺度上是不可见的。它发生在纳米尺度上，我们还无法控制这个过程，”博伊斯补充道。

金属片厚约40纳米，宽几微米。博伊斯表示，虽然实验中仅在铂和铜中观察到自愈现象，但模拟表明其他金属也可以发生自愈，而且像钢这样的合金“完全有可能”表现出这种特性。

博伊斯说：“可以设想利用这种行为而定制的材料。”

“鉴于这些新知识，可能会设计出替代材料设计策略或工程方法来帮助减轻疲劳失效。此外，这种新的理解可能会揭示现有结构中的疲劳失效-提高我们解释和预测此类疲劳失效的能力。失败，”博伊斯补充道。

科学家过去已经制造了一些自愈材料，其中大部分是塑料。该研究的合著者、德克萨斯农工大学材料科学与工程教授迈克​​尔·德姆科维奇(MichaelDemkowicz)十年前就预言了金属的自我修复能力。

德姆科维奇正确地认为，在某些条件下，将金属置于通常会加剧疲劳相关裂纹的应力下可能会产生相反的效果。

“我现在的猜测是，我们的发现的实际应用还需要10年的时间才能开发出来，”德姆科维奇说。

“当我第一次做出预测时，一些媒体说我正在研发T-1000。这仍然是科幻小说，”德姆科维奇说。“然而，在电视剧《太空堡垒卡拉狄加》的结尾，剧组人员采用了一些赛昂（虚构的机器人种族）技术来帮助治愈飞船的疲劳损伤，使金属表现得更像是可以治愈自身的有机组织伤口。我想说我们正在做的事情更像是《太空堡垒卡拉狄加》的例子。”

使用一种称为电子显微镜的设备在非常特定的环境中观察到自愈现象。

“这项研究留下的一个大问题是，这个过程是否也发生在空气中，而不仅仅是显微镜的真空环境中。但即使它只发生在真空中，它仍然对航天器的疲劳产生重要影响，或者与未暴露在大气中的地下裂纹相关的疲劳，”博伊斯说。