211service.com
Självläkande metaller
När doktoranden Guoqiang Xu och biträdande professor i materialvetenskap och teknik Michael Demkowicz, SM ’04, PhD ’05, först såg resultatet trodde de att det måste vara ett misstag. Under vissa förhållanden fann de att att sätta en sprucken metallbit under spänning – det vill säga utöva en kraft som skulle förväntas dra isär den – hade den omvända effekten, vilket gjorde att sprickan stängdes och dess kanter smälte samman. Fyndet, säger de, kan leda till självläkande material som reparerar begynnande skada innan det har en chans att sprida sig.
En simulering visar en liten spricka (mörk horisontell stång) som lagas av sig själv när metall utsätts för stress.
De var tvungna att gå tillbaka och kolla, säger Demkowicz, när istället för att förlänga [sprickan] stängdes. Nästa fråga var: 'Varför händer detta?'
Svaret visade sig ligga i den kristallina mikrostrukturen hos en metall – i det här fallet nickel, som är grunden för superlegeringar som används i extrema miljöer som djuphavsoljekällor. Genom att skapa en datormodell av nickels mikrostruktur och studera dess reaktion på olika förhållanden, säger Demkowicz, fann vi att det finns en mekanism som i princip kan stänga sprickor under alla påfrestningar.
Metaller tenderar att bestå av små kristallkorn - regioner där atomerna är uppradade på ett exakt ordnat sätt. Vid gränserna mellan dessa korn kan mönstrets orientering ändras abrupt. Under vissa förhållanden, fann Demkowicz och Xu, orsakar stress att mikrostrukturen förändras, vilket gör att korngränserna migrerar, säger de. I själva verket växer ett korn medan det intilliggande krymper. Denna korngränsmigrering är nyckeln till att läka sprickan, säger Demkowicz.
Självläkning sker bara i metaller som innehåller en viss typ av gräns, förklarar han - en som sträcker sig halvvägs genom ett korn men inte hela vägen över det. Detta skapar en typ av defekt som kallas disklinering.
Dessa defekter har intensiva stressfält, som kan vara så starka att de faktiskt vänder på vad en applicerad belastning skulle göra, säger Demkowicz. Så när de två sidorna av ett sprucket material dras isär, istället för att spricka ytterligare, kan det läka. Stressen från disklineringarna leder till detta oväntade beteende, säger han.
Efter att ha upptäckt denna mekanism planerar forskarna att studera hur man designar metallegeringar så att sprickor kan stängas och läka under belastningar som är typiska för speciella applikationer. Tekniker för att kontrollera mikrostrukturen hos legeringar finns redan, säger Demkowicz, så det är bara en fråga om att ta reda på hur man uppnår ett önskat resultat.
Det är ett område vi bara öppnar upp, säger han. Hur designar man en mikrostruktur för att självläka? Det här är väldigt nytt.