自愈金屬？科學(xué)家發(fā)現(xiàn)金屬自我修復(fù)能力

2023-07-20 18:38?來源 溫州在線

自愈金屬？科學(xué)家發(fā)現(xiàn)金屬自我修復(fù)能力

在1991年的電影《終結(jié)者2：審判日》中，一個(gè)邪惡的時(shí)間旅行和變形機(jī)器人T-1000由液態(tài)金屬制成，展現(xiàn)了獨(dú)特的品質(zhì)。受到爆炸或子彈的打擊，它的金屬會(huì)自我修復(fù)。

自愈金屬仍然只是科幻小說，對嗎？顯然不是。

2023年7月19日，科學(xué)家們描述了純鉑和銅片如何在納米級實(shí)驗(yàn)中自發(fā)修復(fù)由金屬疲勞引起的裂紋，這些納米級實(shí)驗(yàn)旨在研究此類裂紋如何在處于壓力下的金屬中形成和擴(kuò)散。他們樂觀地認(rèn)為，這種能力可以在不久的將來被應(yīng)用到金屬中，從而制造出具有自我修復(fù)能力的機(jī)器和結(jié)構(gòu)。

當(dāng)金屬（包括機(jī)器、車輛和結(jié)構(gòu)中的零件）在反復(fù)受到應(yīng)力或運(yùn)動(dòng)后出現(xiàn)微小裂紋時(shí)，就會(huì)發(fā)生金屬疲勞，這種損壞會(huì)隨著時(shí)間的推移而惡化。金屬疲勞可能會(huì)導(dǎo)致航空（例如噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)）以及基礎(chǔ)設(shè)施（橋梁和其他結(jié)構(gòu)）等領(lǐng)域發(fā)生災(zāi)難性故障。

在位于新墨西哥州的美國政府桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用了一種每秒拉動(dòng)微小金屬片末端約200次的技術(shù)。裂縫最初形成并蔓延。但實(shí)驗(yàn)進(jìn)行約40分鐘后，金屬又重新熔合在一起。

研究人員將這種愈合稱為“冷焊”。

桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)家布拉德·博伊斯（BradBoyce）幫助領(lǐng)導(dǎo)了在該雜志上發(fā)表的這項(xiàng)研究，他說：“冷焊過程是一種冶金過程，當(dāng)兩個(gè)相對光滑和干凈的金屬表面結(jié)合在一起以重組原子鍵時(shí)，就會(huì)發(fā)生冷焊過程。”自然。

“與《終結(jié)者》電影中的自我修復(fù)機(jī)器人不同，這個(gè)過程在人類尺度上是不可見的。它發(fā)生在納米尺度上，我們還無法控制這個(gè)過程，”博伊斯補(bǔ)充道。

金屬片厚約40納米，寬幾微米。博伊斯表示，雖然實(shí)驗(yàn)中僅在鉑和銅中觀察到自愈現(xiàn)象，但模擬表明其他金屬也可以發(fā)生自愈，而且像鋼這樣的合金“完全有可能”表現(xiàn)出這種特性。

博伊斯說：“可以設(shè)想利用這種行為而定制的材料。”

“鑒于這些新知識，可能會(huì)設(shè)計(jì)出替代材料設(shè)計(jì)策略或工程方法來幫助減輕疲勞失效。此外，這種新的理解可能會(huì)揭示現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中的疲勞失效-提高我們解釋和預(yù)測此類疲勞失效的能力。失敗，”博伊斯補(bǔ)充道。

科學(xué)家過去已經(jīng)制造了一些自愈材料，其中大部分是塑料。該研究的合著者、德克薩斯農(nóng)工大學(xué)材料科學(xué)與工程教授邁克??爾·德姆科維奇(MichaelDemkowicz)十年前就預(yù)言了金屬的自我修復(fù)能力。

德姆科維奇正確地認(rèn)為，在某些條件下，將金屬置于通常會(huì)加劇疲勞相關(guān)裂紋的應(yīng)力下可能會(huì)產(chǎn)生相反的效果。

“我現(xiàn)在的猜測是，我們的發(fā)現(xiàn)的實(shí)際應(yīng)用還需要10年的時(shí)間才能開發(fā)出來，”德姆科維奇說。

“當(dāng)我第一次做出預(yù)測時(shí)，一些媒體說我正在研發(fā)T-1000。這仍然是科幻小說，”德姆科維奇說。“然而，在電視劇《太空堡壘卡拉狄加》的結(jié)尾，劇組人員采用了一些賽昂（虛構(gòu)的機(jī)器人種族）技術(shù)來幫助治愈飛船的疲勞損傷，使金屬表現(xiàn)得更像是可以治愈自身的有機(jī)組織傷口。我想說我們正在做的事情更像是《太空堡壘卡拉狄加》的例子。”

使用一種稱為電子顯微鏡的設(shè)備在非常特定的環(huán)境中觀察到自愈現(xiàn)象。

“這項(xiàng)研究留下的一個(gè)大問題是，這個(gè)過程是否也發(fā)生在空氣中，而不僅僅是顯微鏡的真空環(huán)境中。但即使它只發(fā)生在真空中，它仍然對航天器的疲勞產(chǎn)生重要影響，或者與未暴露在大氣中的地下裂紋相關(guān)的疲勞，”博伊斯說。

編輯： yujeu