Dr. Michael Demkowitz voorspelde ooit het zelfherstellende fenomeen van metalen. Dit fenomeen werd deze zomer eindelijk waargenomen en choqueerde wetenschappers over de hele wereld. Een klein stukje platina ontwikkelde kleine scheurtjes als het herhaaldelijk werd uitgerekt. Het experiment, bedoeld om de groei van vermoeiingsscheuren te bestuderen, verliep enige tijd zoals gepland. Maar toen gebeurde er iets onverwachts. De scheuren stopten met groeien en begonnen korter te worden, waardoor ze zichzelf "genezen".
Een team van onderzoekers van Sandia National Laboratories ontdekte dit ongelooflijke fenomeen tijdens het uitvoeren van breukexperimenten op nanokristallijne metalen. De bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Nature.
Vóór deze ontdekking was het redelijk om te denken dat zelfherstellende metalen alleen in sciencefictionromans konden voorkomen. Dr. Michael Demkowicz, professor aan de afdeling Materials Science and Engineering aan de Texas A&M University en co-auteur van de recente studie, denkt van niet.
Demkowicz en zijn studenten voorspelden de zelfherstellende eigenschappen van metaal tien jaar geleden toen hij assistent-professor was bij de afdeling Materials Science and Engineering van het MIT.
"Ons uitgangspunt was niet het vinden van zelfgenezing. Mijn student GuoxiangXu deed destijds breuksimulaties", zei Demkowicz. "We hebben per ongeluk spontane genezing waargenomen in een van zijn simulaties en besloten dit op te volgen."
Toen waren de resultaten van 2013, net als nu, verrassend. Demkowicz voegde eraan toe dat hij, zijn studenten en collega's enigszins sceptisch stonden tegenover de oorspronkelijke theorie. Zijn simulatiemodel werd in de daaropvolgende jaren echter vele malen door andere onderzoekers gerepliceerd en uitgebreid.
"Het was duidelijk dat er niets mis was met de simulatie, omdat anderen hetzelfde effect hadden gezien in hun modelleringsinspanningen", zei Demkowicz.
Zowel in het model uit 2013 als in recente experimenten werd gebruik gemaakt van nanokristallijne metalen, die een kristalstructuur of korrelgrootte hebben gemeten op nanometerschaal (miljoensten van een millimeter). Demkowicz zei dat hoewel het metaal niet veel wordt gebruikt in technische toepassingen, de meeste metalen in deze vorm kunnen worden vervaardigd.
Hij legde verder uit dat nanokristallijne metalen het gemakkelijker maken om zelfherstel te bestuderen, omdat hun kleine korrelgroottes meer microstructurele kenmerken kunnen creëren waarmee zelfs kleine scheurtjes kunnen interageren.
Uit beide onderzoeken is gebleken dat korrelgrenzen een kenmerk zijn dat de genezing van scheuren beïnvloedt, afhankelijk van de migratierichting van de korrelgrenzen ten opzichte van de scheur. Demkowicz voegde eraan toe dat deze kenmerken bij veel metalen en legeringen voorkomen en kunnen worden gecontroleerd.
"De belangrijkste impact van het huidige werk is om de oorspronkelijke theoretische voorspelling 'van de tekentafel' te halen en aan te tonen dat dit in werkelijkheid gebeurt," zei Demkowicz. "We zijn nog niet echt begonnen met het optimaliseren van de zelfherstellende microstructuur. Het uitzoeken van de beste veranderingen om zelfgenezing te bevorderen is een uitdagende taak voor toekomstig werk."
Potentiële toepassingen van dit werk kunnen sterk variëren. Demkowicz gelooft dat zelfherstel ook mogelijk is in traditionele metalen met grotere korrelgroottes, maar toekomstig onderzoek is nodig.
De theorie uit 2013 en het recente experiment hebben een gemeenschappelijke voorwaarde, namelijk dat beide werden uitgevoerd in een vacuümomgeving zonder enige vreemde materie. Deze vreemde materialen kunnen de hechtings- of koudlasmogelijkheden van het gescheurde oppervlak verstoren. Zelfs met deze beperking zijn er potentiële toepassingen in de lucht- en ruimtevaarttechnologie of in interne scheuren die niet worden blootgesteld aan de buitenlucht.
Na tien jaar werken kwam de theorie van Demkowicz tot bloei in experimenten bij Sandia National Laboratories. In het huidige onderzoek kon Demkowicz verifiëren of de recentelijk waargenomen verschijnselen consistent waren met zijn oorspronkelijke simulatiemodel.
"Het is een geweldig experiment. Maar ik denk dat het ook een grote theoretische overwinning is", zei Demkowicz. "De complexiteit van materialen maakt het vaak moeilijk om nieuwe fenomenen met vertrouwen te voorspellen. Deze ontdekking geeft mij hoop dat onze theoretische modellen van materiaalgedrag op de goede weg zijn."