Phát hiện kim loại có khả năng tự phục hồi vết nứt

Từ gốm sứ, lớp phủ ô tô đến bê tông và thậm chí là nhựa sinh học, cộng đồng khoa học đã tạo ra các vật liệu có thể tự sửa chữa sau khi hư hỏng, một đặc tính được gọi là khả năng tự phục hồi. Nhưng khi nói đến kim loại, khả năng tự phục hồi từ những vết nứt nhỏ do thời gian gây ra vẫn còn khó nắm bắt.

Nhóm nghiên cứu đến từ Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia và Đại học Texas A&M kiểm tra độ bền của kim loại, sử dụng kỹ thuật hiển vi điện tử truyền qua chuyên dụng để kéo hai đầu kim loại 200 lần mỗi giây. Sau đó, họ quan sát khả năng tự vá lành ở quy mô siêu nhỏ trên miếng bạch kim dày 40 nanomet treo trong buồng chân không.

Vết nứt gây ra bởi lực căng mô tả ở trên gọi là phá hủy do mỏi. Đó là áp lực và chuyển động lặp lại gây ra nứt vỡ vi mô, cuối cùng khiến máy móc hoặc công trình rạn nứt. Sau khoảng 40 phút quan sát, các nhà nghiên cứu nhận thấy vết nứt ở bạch kim bắt đầu liền lại và tự sửa chữa trước khi bắt đầu bị hư hỏng theo hướng khác. Họ công bố phát hiện hôm 19/7 trên tạp chí Nature.

"Chúng tôi không ngờ tới điều này. Những gì chúng tôi có thể xác nhận là kim loại có khả năng tự vá lành, ít nhất trong trường hợp phá hủy do mỏi ở cấp độ nano", nhà khoa học vật liệu Brad Boyce ở Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia.

Dù nhóm nghiên cứu chưa rõ quá trình xảy ra như thế nào hay cách sử dụng nó, chắc chắn kim loại tự vá lành sẽ tạo ra khác biệt to lớn trong việc sửa chữa mọi thứ từ cầu đường tới điện thoại động.

Năm 2013, nhà khoa học vật liệu Michael Demkowicz ở Đại học Texas A&M làm việc trong nghiên cứu dự đoán quá trình vá lành vết nứt nano có thể xảy ra, do những hạt tinh thể nhỏ xíu bên trong kim loại dịch chuyển ranh giới nhằm phản ứng với áp lực. Demkowicz cũng tham gia nghiên cứu mới, sử dụng mô hình máy tính cập nhật để chứng minh giả thuyết trước đây của ông về hành vi tự vá lành của kim loại ở cấp nano phù hợp với những gì xảy ra trong thí nghiệm.

Quá trình sửa chữa tự động đó xảy ra ở nhiệt độ phòng là một khía cạnh hứa hẹn khác của nghiên cứu. Kim loại thường đòi hỏi nhiều nhiệt để thay đổi hình dạng, nhưng thí nghiệm diễn ra trong môi trường chân không. Các nhà nghiên cứu cần xem xét quá trình tương tự có xảy ra ở kim loại thông thường trong môi trường thường ngày hay không.

Một giả thuyết khả thi bao gồm quá trình hàn lạnh, xảy ra khi các bề mặt kim loại ở đủ gần để nguyên tử của chúng mắc vào nhau. Thông thường, lớp không khí mỏng hoặc chất gây ô nhiễm can thiệp vào quá trình. Ở môi trường như chân không vũ trụ, kim loại nguyên chất có thể bị ép sát vào nhau đủ gần để dính chặt.