Ученые наблюдают, как сломанный металл заживает сам

ОНедавним солнечным днем ​​в Северной Каролине Джереми Вагнер наблюдал, как его дети наслаждаются последней поездкой. Ожидая на стоянке возле входа в парк развлечений Carowinds, он мог любоваться большими американскими горками Fury 325. Дети Вагнера уже катались на них несколько раз, разогнавшись до 95 миль в час, но это раз отец заметил что-то странное: трещину. Один из стальные опорные балки, казалось, качались каждый раз, когда пассажиры приближались к повороту. Вагнер начал снимать горки на видео, и когда он увидел дневной свет, сияющий через эту трещину, он поспешил умолять персонал парка закрыть аттракцион. Они казались равнодушными, Вагнер сказал в Вашингтон постно после того, как его видео стало вирусным, Carowinds отключил Fury 325 и заказал новую балку на замену.

Но что, если нет необходимости в замене балки? Это может показаться причудливой гипотезой — задаться вопросом, можно ли построить американские горки из металла, который мог бы, скажем, восстанавливать себя, избавляя от необходимости ремонта. Новости Си-Би-Эс позже сообщил что трещина в луче Fury 325 была видна за неделю до визита Вагнера. Что, если бы металл мог начать восстанавливаться, как только он начал раскалываться? Это не выходит за рамки возможного.

По крайней мере, так утверждают исследователи из Техасского университета A&M и Национальной лаборатории Сандия. изучать опубликовано в Природа. Под мощным микроскопом они наблюдали, как «усталостная трещина» — своего рода медленно развивающийся перелом, от которого пострадал Fury 325 — зажила сама по себе в тонком (толщиной 40 нанометров) листе платиновой фольги, металла, используемого в производстве ювелирных изделий и в микроэлектронных устройствах. «Это доказательство того, что чистые металлы могут время от времени восстанавливать себя на наноуровне, просто поразительно», — пишут они.

Изменит ли это открытие то, как мы строим американские горки?

Полученные результаты влияют на то, как мы оцениваем износ металлических конструкций, а также на то, как мы можем разрабатывать новые износостойкие материалы. Усталостные трещины являются одним из основных авария. Повторяющиеся нагрузки вызывают микроскопические трещины, которые со временем растут, что приводит к выходу из строя таких устройств, как автомобильные двигатели, электронные устройства, самолеты и американские горки. Ученые уже создали некоторые другие самовосстанавливающиеся материалы, в основном пластмассы, но не верил, что такие процессы возможны в металлах, примерно десять лет назад. В 2013 году Майкл Демкович, в настоящее время профессор Техасского университета A&M, возглавил изучать это впервые выдвинуло теорию о возможности самовосстановления металлов.

В новом исследовании исследователи обнаружили, что платиновая фольга может восстанавливаться с помощью процесса, называемого «холодной сваркой» — своего рода сварки, при которой не используется тепло от горелки или внешнее давление. При моделировании наноразмерных трещин в металле исследователи обнаружили, что сварка управляется «сочетанием локального напряженного состояния и миграции границ зерен». Уровень напряжения, которому подвергается металл вокруг вершины трещины, может отличаться от напряжения в других местах. Это влияет на поведение трещины, помогая определить, будет ли она расти или заживать. Границы зерен металла также имеют значение: металлы состоят из множества крошечных кристаллов или зерен, которые связаны друг с другом на своих границах, и они могут двигаться, меняя свое положение внутри металла в зависимости от различных факторов, включая механическое напряжение. Исследователи пишут, что тот факт, что металлы, по-видимому, могут восстанавливаться, «бросает вызов самым фундаментальным теориям о том, как инженеры проектируют и оценивают усталостную долговечность конструкционных материалов».

Изменит ли это открытие то, как мы строим американские горки? Слишком рано говорить. Исследователи признают, что может быть «заманчиво сбрасывать со счетов нынешние наблюдения заживления усталостных трещин как редкое или аномальное единичное событие», обусловленное их конкретными экспериментальными условиями. Но они считают, что их результаты показывают, что автономное лечение может работать для различных металлов. Хотя они напрямую экспериментировали только с платиновой фольгой, они создали модели процесса заживления трещин в других металлах на атомном уровне. «Это явление не свойственно платине», — пишут они.

Одним из вопиющих препятствий на пути к самовосстанавливающимся металлическим американским горкам — или электронному устройству, двигателю транспортного средства, самолету или мосту — является тот факт, что металл, похоже, не восстанавливается так же быстро, как трескается. Таким образом, вид холодной сварки, которую наблюдали исследователи, мог только замедлить распространение трещин, а не устранить их полностью. При темпах роста около 10⁻⁶метров за цикл, пишут они, «усталостные бороздки на металлических поверхностях излома свидетельствуют о том, что трещина растет с каждым циклом без каких-либо признаков заживления». Под «циклом» исследователи подразумевают повторяющийся фактор стресса, такой как напряжение, которое американские горки Fury 325 оказывали на балку, когда гонщики ходили кругами по тому повороту, на который смотрел Вагнер.

Отец, обладатель абонемента, не держит зла ​​на парк развлечений. Вагнер уверен, что инженеры починят аттракцион. «Может быть, так даже лучше», — сказал он Вашингтон пост, «безопаснее, чем было раньше». Придется делать старомодное исправление — пока.

Главное изображение: кофейный хмель / Shutterstock

• Брайан Галлахер

  Опубликовано 27 июля 2023 г.

  Брайан Галлахер — помощник редактора в Наутилус. Подпишитесь на него в Твиттере @bsgallagher.