محققان فلزی با قابلیت خود ترمیمی را مشاهده کرده‌اند که وقتی در معرض نیرو قرار گرفته و سپس فشار از روی آن برداشته می‌شود، نانو تَرک های خود را ترمیم می‌کند.

هنگامی که ماده تحت یک نیروی اعمالی چرخه‌ای قرار می‌گیرد، ترک‌ها می‌توانند در داخل فلز ایجاد شده و رشد کنند. محققان دریافته‌اند که در محیط خلاء، این ترک‌ها در نهایت ترمیم خواهند شد.

ورق فلزی ای که بتواند ترک های خودش را به هم جوش بدهد، ممکن است شبیه مفهومی از صفحات یک رمان علمی-تخیلی به نظر برسد. اما این خود ترمیمی دقیقاً همان چیزی است که برد بویس (Brad Boyce) از آزمایشگاه‌های ملی ساندیا در نیومکزیکو و همکارانش اخیراً در طی آزمایش‌هایی که در مورد ویژگی‌های لایه‌های پلاتین آسیب‌دیده کاوش می‌کردند، به دست آوردند [1]. مشاهدات آنها اولین رصد از چنین رفتاری است، که می تواند کاربردهایی در توسعه فراساختارهای مقاوم در برابر خستگی مکانیکی داشته باشد.

در طول سال‌ها، دانشمندان مختلف این نظریه را مطرح کرده‌اند که در یک محیط غیر اکسایشی، هر شکافی که در فلز ایجاد می‌شود باید خود به خود بسته شود. پیش‌بینی می‌شود که این به اصطلاح خود ترمیمی، اگر اتم‌ها دوباره به هم نزدیک شوند ایجاد می‌شود زیرا فشارهای موضعی محلی اتم‌ها را مجبور به تشکیل مجدد پیوندها می کند. بویس می‌گوید: «این فرآیند شبیه به جوشکاری سرد است، زمانی که مواد در خلاء بدون کمک همجوشی یا گرما به یکدیگر می‌چسبند. اما، تا به حال، هیچکس رخ دادن این جوشکاری را ندیده بود.

بویس و تیمش در حالی که به یک ویژگی مرتبط فلزات نگاه می‌کردند، به طور تصادفی به مشاهدات خود رسیدند: زمانی که ماده تحت یک بار چرخه‌ای قرار می‌گیرد، مرز دانه ها در یک ورقه بلوری به ضخامت نانومتر از فلز پلاتین چگونه حرکت کرده و تغییر شکل می‌دهند؟. این گروه با انجام آزمایش‌هایی در دمای اتاق و داخل محیط خلاء در میکروسکوپ الکترونی، متوجه شدند که ترک‌های خستگی ایجاد شده در حین بارگذاری رشد کرده و سپس جمع می شوند.

گروه همچنین مشاهده کرد که ترک‌های بهبود یافته دوباره باز نشدند. در عوض، با ادامه بارگذاری چرخه ای، ترک های بعدی مسیرهای منحصر به فرد خود را دنبال کردند. به نظر می رسید که این ماده "خودش را ترمیم می کند ". بویس می گوید: این برای من واقعاً خیره کننده بود. این گروه همچنین رفتار خود ترمیمی مس را بررسی کردند و شواهدی را یافتند که نشان می‌دهد ترک‌های مس نیز می‌توانند خود را دوباره به یکدیگر جوش دهند.

بویس می‌گوید که مشاهدات تیم حاکی از آن است که موقعیت اتم‌ها در ماده در طول فرآیند ترمیم مجدداً پیکربندی شده و منجر به تغییر در ضعیف‌ترین مسیر می‌شود. او می‌افزاید که برای توضیح کامل این رفتار به مطالعات بیشتری نیاز است. بویس می‌گوید، در حالی که او هنوز نمی‌تواند حدس بزند آیا خواص مکانیکی ورق پلاتین به دلیل ترک خوردن، ترمیم و پیکربندی مجدد تغییر کرده است یا خیر؟، مشاهدات نشان می‌دهد که ترمیم به نحوی باعث می‌شود که ناحیه محلی اطراف یک ترک بسته شده در برابر خستگی مقاوم‌تر شود.

اگرچه ایده یک فلز خود ترمیم شونده ممکن است ایده‌های هیجان انگیزی در مورد پل‌هایی ایجاد کند که می‌توانند شکاف های ایجاد شده در ساختارشان را ترمیم کرده و از ریزش ویرانگر جلوگیری کنند، یا در مورد اتومبیل‌هایی که از تصادفات بدون آسیب بیرون می آیند، اما لازم است این فرآیند جوشکاری در شرایط اتمسفر هم مشاهده شود. راینهارد پیپان (Reinhard Pippan)، فیزیکدان بازنشسته آکادمی علوم اتریش، پیشنهاد می کند که قرار گرفتن در معرض هوا منجر به اکسیداسیون در مرزهای شکاف می شود. تئوری نشان می دهد که این اکسیداسیون باید مانع از اثر خود ترمیم شوندگی شود. اما اگر شکاف‌ها در داخل فلز ایجاد شود، همین رفتار را می توان مشاهده کرد.

بویس می گوید که او و تیمش میکروسکوپ الکترونی دیگری دارند که می توان از آن برای انجام آزمایشات در هوا استفاده کرد. آنها قصد دارند از این ابزار برای مطالعه فرآیند خود ترمیم شوندگی در یک محیط حاوی اکسیژن استفاده کنند. آزمایش‌هایی بر روی بلوک‌های فلزی بزرگ‌تر نیز مورد نیاز است تا ببینیم چگونه این پدیده در سیستم‌های مرتبط با کاربردهای دنیای واقعی مانند توسعه ساختارهای دریایی و سایر زیرساخت‌ها انجام می‌شود. بویس می گوید: مجموعه عظیمی از صنایع وجود دارند که به فلزاتی که در برابر خستگی مقاوم تر هستند علاقه مند هستند. اما او می‌افزاید، «هنوز تحقیقات بیشتری مورد نیاز است تا بتوانیم این پدیده را تجاری‌سازی کرده و از آن بهره کامل ببریم.»

[1] C. M. Barr et al., “Autonomous healing of fatigue cracks via cold welding,” Nature (2023).

منبع:

Self-Healing Metal Observed

ترجمه خبر: شهره کرمی