Die Beobachtung der Metallheilung selbst bestätigt die Vorhersage des Texas A&M-Forschers

Bei wiederholter Dehnung entstand in einem sehr kleinen Stück Platin ein mikroskopischer Riss. Das Experiment zur Untersuchung des Ermüdungsrisswachstums lief wie vorhergesagt eine Weile weiter, bevor etwas Unerwartetes geschah. Der Riss hörte auf zu wachsen, wurde stattdessen kürzer und „heilte“ sich effektiv von selbst.

Eine Gruppe von Forschern der Sandia National Laboratories machte diese überraschende Beobachtung, als sie Bruchexperimente an nanokristallinen Metallen durchführte. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Vor dieser Entdeckung hätte man vernünftigerweise annehmen können, dass selbstheilendes Metall etwas war, das nur in der Science-Fiction zu finden war. Dr. Michael Demkowicz, Professor an der Abteilung für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen der Texas A&M University und Mitautor der aktuellen Studie, vertrat keine derartigen Annahmen.

Vor zehn Jahren sagten Demkowicz und sein Student als Assistenzprofessor an der Abteilung für Materialwissenschaften und -technik des Massachusetts Institute of Technology die Selbstheilung von Metallen voraus.

„Es ging uns nicht darum, Heilung zu finden. Mein Student, Guoxiang Xu, führte Bruchsimulationen durch“, sagte Demkowicz. „Wir haben in einer seiner Simulationen zufällig eine spontane Heilung beobachtet und beschlossen, dies weiter zu verfolgen.“

Damals wie heute waren die Ergebnisse im Jahr 2013 überraschend. Demkowicz fügte hinzu, dass er, sein Student und seine Kollegen alle etwas skeptisch gegenüber der ursprünglichen Theorie seien. Allerdings wurden seine Simulationsmodelle in den vergangenen Jahren von anderen Forschern mehrfach reproduziert und erweitert.

„Es wurde klar, dass die Simulationen nicht fehlerhaft waren, da andere den gleichen Effekt in ihrer Modellierungsarbeit sahen“, sagte Demkowicz. „Experimente waren bisher jedoch unerreichbar.“

Sowohl die Modelle von 2013 als auch das jüngste Experiment verwendeten nanokristalline Metalle, deren Kristallstruktur oder Korngröße im Nanomaßstab (ein Millionstel Millimeter) gemessen wird. Obwohl es in technischen Anwendungen nicht weit verbreitet ist, können laut Demkowicz die meisten Metalle in dieser Form hergestellt werden.

Er erklärte weiter, dass nanokristalline Metalle das Studium der Selbstheilung erleichtern, da ihre geringe Korngröße mehr mikrostrukturelle Merkmale ermöglicht, mit denen selbst kleine Risse interagieren können.

Beide Studien ergaben, dass ein solches Merkmal, die Korngrenzen, die Rissheilung abhängig von der Richtung der Grenzwanderung relativ zum Riss beeinflussen kann. Demkowicz fügte hinzu, dass diese Merkmale bei vielen Metallen und Legierungen üblich seien und manipuliert werden könnten.

„Der Haupteffekt der aktuellen Arbeit besteht darin, die ursprüngliche theoretische Vorhersage ‚vom Reißbrett‘ zu entfernen und zu zeigen, dass sie in der Realität eintrifft“, sagte Demkowicz. „Wir haben noch nicht wirklich damit begonnen, Mikrostrukturen für die Selbstheilung zu optimieren. Die besten Veränderungen zur Förderung der Selbstheilung herauszufinden, ist eine herausfordernde Aufgabe für die zukünftige Arbeit.“

Die möglichen Anwendungen dieser Arbeit könnten sehr unterschiedlich sein. Demkowicz schlägt vor, dass Selbstheilung bei herkömmlichen Metallen mit größeren Korngrößen möglich sein könnte, aber zukünftige Untersuchungen sind erforderlich.

Eine Bedingung, die sowohl der Theorie von 2013 als auch dem jüngsten Experiment gemeinsam ist, ist, dass beide in Vakuumumgebungen ohne Fremdkörper durchgeführt wurden. Solche Fremdstoffe könnten die Fähigkeit der Rissoberflächen, sich wieder miteinander zu verbinden oder kalt zu verschweißen, beeinträchtigen. Trotz dieser Einschränkung könnten dennoch Anwendungen für Raumfahrttechnik oder interne Risse möglich sein, die keiner Außenluft ausgesetzt sind.

Nach einem Jahrzehnt der Entwicklung hat sich Demkowicz‘ Theorie im Experiment der Sandia National Laboratories ausgezahlt. Für die aktuelle Studie konnte Demkowicz bestätigen, dass das kürzlich beobachtete Phänomen mit seinen ursprünglichen Simulationsmodellen übereinstimmte.

„Es ist ein erstaunliches Experiment. Allerdings denke ich, dass es auch ein großer Sieg für die Theorie ist“, sagte Demkowicz. „Die Komplexität von Materialien macht es oft schwierig, neue Phänomene zuverlässig vorherzusagen. Diese Erkenntnis gibt mir Hoffnung, dass unsere theoretischen Modelle des Materialverhaltens auf dem richtigen Weg sind.“

Medienkontakt:Alyson Chapman, [email protected]

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