Metall pandi endasse tekkinud pragusid parandama

Roheline tähistab kohta, kus tekkis lõhe, mis seejärel sulandus uuesti kokku. Sandia laboreis avastatigi metallide nanoskaalas iseparanemine, mille vallandas perioodiliselt mõjunud tõmbejõud (jõu suund on joonisel märgitud punaste nooltega). Foto: Dan Thompson, Sandia National Laboratories

Teadlastel õnnestus läbi viia eksperiment, mille käigus täheldati metalli võimet end ise parandada. Kui seda protsessi hakatakse täielikult mõistma ja seda suudetakse ka kontrollida, võime seista täiesti uue inseneriteaduse ajastu lävel.

Möödunud aastal avaldatud uuringus katsetasid Sandia riiklike laboratooriumide (Sandia National Laboratories) ja Texase A&M ülikooli (Texas A&M University) teadlased metalli vastupidavust, kasutades spetsiaalset transmissioon-elektronmikroskoopia vaatlustehnikat, mille käigus sikutati metallitükki otstest 200 korda sekundis. Nad jälgisid seda «iseparanemist» ülimalt väikesel skaalal – 40 nanomeetri paksune plaatinakiht pandi vaakumisse rippuma. Kunstlikult tekitatigi perioodilise koormamisega pragusid selliselt, nagu need tekivad metalli väsimuskahjustuste käigus. Selline perioodiline koormus põhjustab materjali väsimist ja pikaajalise mõju korral sellest tehtud konstruktsioonide purunemist.

Üllataval kombel hakkas umbes 40-minutilise vaatluse järel plaatinas tekkinud pragu ise kokku sulama ja ennast parandama, enne kui teises suunas pragunema hakkas. Ehk lühidalt: sellised tõmbejõud tekitasid plaatinas prao, mis ise paranes. Sandia riiklike laboratooriumide materjaliteadlane Brad Boyce kirjeldas tulemuste avaldamisel, et see oli täiesti rabav kogemus. Boyce'i sõnul ei osanud nad sellist nähtust oodata, kuid kinnitasid, et metallidel on oma sisemine, loomulik võime ennast ise parandada, vähemasti nanoskaalal väsimuskahjustuste korral. Kuigi need on täpselt määratletud tingimused ja me ei tea veel täpselt, kuidas see toimub või kuidas seda saaks suuremas mõõtkavas kasutada, võib iseparanevate metallide kasutuselevõtt oluliselt vähendada kulusid ja parandustööde vajadust kõikjal, alates sildadest ja mootoritest kuni telefonideni.

Kuigi see elektronmikroskoobis tehtud vaatlus on enneolematu, pole see täiesti ootamatu ja uus. Juba 2013. aastal ennustas Texase A&M ülikooli materjaliteadlane Michael Demkowicz, et selline nanopragude paranemine võiks toimuda. Seda tekitavad pisikesed kristalliterad metallide sees, mis stressile reageerides muudavad oma suurust.

Demkowicz osales ka käesolevas uuringus, kasutades uuendatud arvutimudeleid, et näidata, kuidas tema kümne aasta tagused teooriad metalli iseparanemise kohta nanoskaalal on sama nähtus, mida praegusel juhul vaadeldi.

Asjaolu, et automaatne paranemisprotsess toimus toatemperatuuril, on veel üks paljutõotav uurimistulemuse aspekt. Metall vajab tavaliselt kõvasti kuumust oma kuju muutmiseks, kuid eksperiment viidi läbi vaakumis ja on veel ebaselge, kas sama protsess toimuks tavalistes metallides ning n-ö igapäevases keskkonnas. Üks võimalik seletus sellele nähtusele puudutab protsessi, mida tuntakse külmkeevitusena. See toimub toatemperatuuril, kui metallpinnad pannakse piisavalt lähestikku ja nende aatomid hakkavad teineteisega läbi põimuma.

Tavaliselt segavad õhukesed õhu- või saastekihid seda protsessi, kuid näiteks kosmilises vaakumis võivad kokkusurutud puhtad metallid kokku jäädagi. Demkowicz loodab, et see avastus julgustab materjaliteadlasi arvestama, et õigetes tingimustes võivad materjalid teha ootamatuid asju.

Uuring avaldati ajakirjas Nature.

Allikas: Sciencealert