Selvhelbredende metaller

Da hovedfagsstudent Guoqiang Xu og assisterende professor i materialvitenskap og ingeniørfag Michael Demkowicz, SM ’04, PhD ’05, først så resultatet, trodde de at det måtte være en feil. Under visse forhold fant de at det å sette et sprukket metallstykke under spenning – det vil si å utøve en kraft som forventes å trekke det fra hverandre – hadde motsatt effekt, noe som førte til at sprekken lukket seg og kantene smeltet sammen. Funnet, sier de, kan føre til selvhelbredende materialer som reparerer begynnende skade før det har en sjanse til å spre seg.





reparere metall

En simulering viser en liten sprekk (mørk horisontal stang) som reparerer seg selv når metall utsettes for stress.

De måtte gå tilbake og sjekke, sier Demkowicz, da i stedet for å forlenge, lukket [sprekken] seg. Det neste spørsmålet var: 'Hvorfor skjer dette?'

Svaret viste seg å ligge i den krystallinske mikrostrukturen til et metall – i dette tilfellet nikkel, som er grunnlaget for superlegeringer brukt i ekstreme miljøer som dyphavsoljebrønner. Ved å lage en datamodell av nikkels mikrostruktur og studere dens respons på ulike forhold, sier Demkowicz, fant vi at det er en mekanisme som i prinsippet kan lukke sprekker under enhver påført spenning.



Metaller har en tendens til å bestå av bittesmå krystallkorn - områder der atomene er stilt opp på en nøyaktig ordnet måte. Ved grensene mellom disse kornene kan orienteringen til det mønsteret endres brått. Under visse forhold, fant Demkowicz og Xu, får stress mikrostrukturen til å endre seg, noe som får korngrensene til å migrere, sier de. Faktisk vokser ett korn mens det tilstøtende krymper. Denne korngrensemigrasjonen er nøkkelen til å helbrede sprekken, sier Demkowicz.

Selvhelbredelse skjer bare i metaller som inneholder en viss type grense, forklarer han - en som strekker seg halvveis gjennom et korn, men ikke hele veien over det. Dette skaper en type defekt kjent som en disklinering.

Disse defektene har intense spenningsfelt, som kan være så sterke at de faktisk reverserer hva en påført belastning ville gjort, sier Demkowicz. Så når de to sidene av et sprukket materiale trekkes fra hverandre, i stedet for å sprekke ytterligere, kan det gro. Stresset fra disklinasjonene fører til denne uventede oppførselen, sier han.



Etter å ha oppdaget denne mekanismen, planlegger forskerne å studere hvordan man kan designe metallegeringer slik at sprekker lukkes og gror under belastninger som er typiske for spesielle bruksområder. Teknikker for å kontrollere mikrostrukturen til legeringer eksisterer allerede, sier Demkowicz, så det er bare et spørsmål om å finne ut hvordan man oppnår et ønsket resultat.

Det er et felt vi bare åpner opp, sier han. Hvordan designer du en mikrostruktur for selvhelbredelse? Dette er veldig nytt.

gjemme seg