Sandia Labs
Mikroskopske razpoke v poskusih izginejo, kar razkriva možnost samozdravilnih strojev.
Znanstveniki so prvič videli, kako so kosi kovine razpokali in se nato ponovno združili brez človeškega posredovanja, pri tem pa so ovrgli temeljne znanstvene teorije. Če bo mogoče novo odkriti pojav izkoristiti, bo to lahko pomenilo revolucijo v inženirstvu – revolucijo, v kateri bi lahko samozdravljenje motorjev, mostov in letal odpravilo poškodbe, ki so posledica obrabe, ter jih naredilo varnejše in trajnejše.˝Raziskovalna skupina iz Sandia National Laboratories in Texas A&M University je svoje ugotovitve opisala v reviji Nature [1]. „To je bilo naravnost osupljivo,“ je dejal Sandijin znanstvenik za materiale Brad Boyce. „Potrdili smo, da imajo kovine lastno, naravno sposobnost samozdravljenja, vsaj v primeru poškodb zaradi utrujanja na nanometrski ravni,“ je dejal Boyce. Poškodbe zaradi utrujenosti so eden od načinov, kako se stroji obrabijo in sčasoma pokvarijo. Zaradi ponavljajočih se obremenitev ali gibanja nastanejo mikroskopske razpoke. Sčasoma se te razpoke povečujejo in širijo, dokler se ne pojavijo – resk! Celotna naprava se zlomi ali, če govorimo v znanstvenem žargonu, odpove. Razpoka, ki so jo Boyce in njegova ekipa videli izginiti, je bila ena od teh drobnih, a pomembnih razpok – merjena v nanometrih.
„Od spajkanih spojev v naših elektronskih napravah do motorjev naših vozil in mostov, po katerih se vozimo, te strukture pogosto odpovejo na nepredvidljiv način zaradi cikličnih obremenitev, ki povzročijo nastanek razpok in končno lom,“ je dejal Boyce. „Ko odpovedo, se moramo spopasti s stroški zamenjave, izgubo časa in v nekaterih primerih celo s poškodbami ali izgubo življenja. Gospodarske posledice teh okvar se v ZDA vsako leto merijo v stotinah milijard dolarjev.“ Čeprav so znanstveniki ustvarili nekaj samozdravljivih materialov, večinoma plastike, je bila zamisel o samozdravljivi kovini večinoma v domeni znanstvene fantastike. „Razpoke v kovinah naj bi se vedno le povečevale, ne pa zmanjševale. Celo nekatere osnovne enačbe, ki jih uporabljamo za opis rasti razpok, izključujejo možnost takšnih procesov celjenja,“ je dejal Boyce.
Nepričakovano odkritje je potrdil tudi avtor teorije
Leta 2013 je Michael Demkowicz – takrat docent na oddelku za znanost o materialih in inženirstvo Tehnološkega inštituta v Massachusettsu, zdaj pa redni profesor na univerzi Texas A&M – je začel razbijati konvencionalno teorijo o materialih. Objavil je novo teorijo [2], ki je temeljila na ugotovitvah računalniških simulacij, da bi morala biti kovina pod določenimi pogoji sposobna variti razpoke, ki nastanejo zaradi obrabe. Do odkritja, da je njegova teorija resnična, je prišlo nenamerno v Centru za integrirane nanotehnologije [3], uporabniški ustanovi Ministrstva za energijo, ki jo skupaj upravljata nacionalna laboratorija Sandia in Los Alamos. „Tega zagotovo nismo iskali,“ je dejal Boyce. Khalid Hattar, zdaj izredni profesor na Univerzi Tennessee v Knoxvillu, in Chris Barr, ki zdaj dela v Uradu za jedrsko energijo pri Ministrstvu za energijo, sta ob odkritju vodila poskus v Sandii. Njun namen je bil le oceniti, kako nastajajo in se širijo razpoke v nanometrskem kosu platine, in sicer s specializirano tehniko elektronskega mikroskopa, ki sta jo razvila za večkratno vlečenje koncev kovine 200-krat na sekundo. Presenetljivo se je po približno 40 minutah poskusa poškodba spremenila. En konec razpoke se je ponovno združil, kot da bi se vračal po svoji poti, in ni pustil sledi prejšnje poškodbe. Sčasoma se je razpoka znova razširila v drugi smeri. Hattar je to označil za „vpogled brez primere“. Boyce, ki je bil seznanjen s teorijo, je svoje ugotovitve delil z Demkowiczem. „Seveda sem bil tega zelo vesel,“ je dejal Demkowicz. Profesor je nato poskus poustvaril na računalniškem modelu in s tem utemeljil, da je bil pojav, ki so mu bili priča v Sandii, enak tistemu, o katerem je pred leti postavil teorijo. Njihovo delo so podprli Urad za znanost Ministrstva za energijo za temeljne energetske znanosti, Nacionalna uprava za jedrsko varnost in Nacionalna znanstvena fundacija. O procesu samoobnavljanja je še veliko neznank, vključno s tem, ali bo postalo praktično orodje v proizvodnem okolju. „V kolikšni meri je mogoče te ugotovitve posplošiti, bo verjetno predmet obsežnih raziskav,“ je dejal Boyce. „Pokazali smo, da se to dogaja v nanokristalnih kovin v vakuumu. Ne vemo pa, ali se to lahko zgodi tudi pri običajnih kovinah na zraku. Kljub vsem neznankam pa odkritje predstavlja velik korak naprej na področju znanosti o materialih. „Upam, da bo ta ugotovitev spodbudila raziskovalce materialov k razmišljanju o tem, da lahko materiali v pravih okoliščinah počnejo stvari, ki jih nismo pričakovali,“ je dejal Demkowicz.
O laboratorijih Sandia
Nacionalni laboratoriji Sandia so laboratorij za več misij, ki ga upravlja National Technology and Engineering Solutions of Sandia LLC, hčerinsko podjetje v 100-odstotni lasti družbe Honeywell International Inc., za Nacionalno upravo za jedrsko varnost ameriškega ministrstva za energijo. Laboratoriji Sandia so odgovorni za raziskave in razvoj na področju jedrskega odvračanja, globalne varnosti, obrambe, energetskih tehnologij in gospodarske konkurenčnosti, glavne zmogljivosti pa imajo v Albuquerqueju v Novi Mehiki in Livermoru v Kaliforniji.
Povzeto po:
https://newsreleases.sandia.gov/healing_metals/
Viri:
1: https://www.nature.com/articles/s41586-023-06223-0
2: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.
111.145501
3: https://cint.lanl.gov/
