Металлы тоже регенерируют. Ученые выяснили как
Регенерация — процесс отрастания или замещения поврежденных или утраченных тканей — характерна не только для животных. Самовосстанавливающиеся металлы представляют собой класс материалов, обладающих удивительной способностью автономно восстанавливать трещины в своей структуре. Процесс происходит без внешнего вмешательства. Недавно ученые выяснили, как им это удается. Рассказываем подробнее.
Что обнаружили ученые
Концепция самовосстанавливающихся металлов — мостов, космических кораблей или роботов, способных самопроизвольно ремонтировать себя, — теперь стала немного ближе к реальности.
Майкл Демкович, материаловед и соавтор нового исследования высказал теорию о самовосстановлении металлов еще 10 лет назад, когда компьютерное моделирование показало, что твердые металлы могут самостоятельно заваривать небольшие трещины. По словам Демковича, поскольку для изменения формы металла обычно требуется высокая температура, многие ученые считали, что моделирование было ошибочным.
Но затем на результаты этих наблюдений наткнулся соавтор нового исследования инженер-ядерщик Халид Хаттар. В 2016 году он изучал, как трещины распространяются по наноразмерным кусочкам платины в вакууме. С помощью специализированного электронного микроскопа он воздействовал на металл 200 раз в секунду и наблюдал, как трещины паутиной расползаются по его поверхности. Затем, примерно через 40 минут, повреждения стали исчезать. Исследователь увидел, как трещины снова срослись, словно в видеофильме, проигранном в обратном порядке. Тогда Хаттар понял, что Демкович был прав.
По всей видимости, способность к самовосстановлению возникает, когда края трещины прижимаются достаточно близко друг к другу, чтобы их атомы могли соединиться. В определенных зонах неровности аккуратной кристаллической структуры металла смещаются под действием внешнего напряжения, например, силы, возникающей при естественном износе. Когда эти неровности смещаются, они вызывают сжимающее напряжение, которое и приводит в действие эффект регенерации.
Ученые воспроизвели наблюдения на платине и меди. Компьютерное моделирование позволило предположить, что алюминий и серебро также должны самовосстанавливаться, однако исследователи не знают, способны ли на это такие сплавы, как сталь. Тем не менее этот феномен заставит некоторых материаловедов переосмыслить то, что они знают о металле.
Как работает регенерация металлов
Существуют и другие причины, по которым металлы восстанавливают структуру и форму, но уже с помощью внешнего вмешательства.
Сплавы с памятью формы способны запоминать свою первоначальную форму и возвращаться к ней при нагреве. Это эффективно восстанавливает повреждение.
Микрокапсулы. Некоторые самовосстанавливающиеся металлы содержат микрокапсулы, заполненные особым веществом, например, полимером. При повреждении материала микрокапсулы разрываются, высвобождая вещество в трещину или поврежденное место. Затем вещество застывает, герметизируя повреждение. Создать такие материалы удалось российским ученым Нового физтеха и Химико-биологического кластера Университета ИТМО.
Интерметаллические соединения. Некоторые металлы способны образовывать так называемые интерметаллиды, которые при повреждении заполняют зазоры или трещины. Этот процесс часто основывается на диффузии атомов для закрытия пустот.
Где пригодятся самовосстанавливающиеся металлы
Аэрокосмическая промышленность. Самовосстанавливающиеся металлы повысят прочность и долговечность компонентов летательных аппаратов, сократят эксплуатационные расходы и повысят безопасность. То же касается автомобилей.
Структурная инженерия. Подобные материалы могут использоваться при строительстве мостов, зданий и других сооружений для повышения их устойчивости к износу, разрушению и воздействию окружающей среды.
Биомедицинские устройства. Регенерирующие материалы пригодятся в медицинских имплантатах и устройствах для обеспечения их долговечности и работоспособности в организме человека.
Несмотря на большие перспективы, самовосстанавливающиеся металлы не лишены недостатков. Некоторые требуют точного контроля температуры для активации. Разработка и производство самовосстанавливающихся металлов стоят дорого, что ограничивает их применение в некоторых отраслях промышленности. В настоящее время ведутся обширные исследования, направленные на повышение их способности к регенерации.
