Σε μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature, κομμάτια καθαρού λευκόχρυσου και χαλκού, επέδειξαν τη δυνατότητα να αυτοεπιδιορθώνουν (self-healing) ρωγμές που προκλήθηκαν λόγω κόπωσης. Η συμπεριφορά παρατηρήθηκε σε πειράματα σε επίπεδο νανοκλίμακας, τα οποία είχαν σχεδιαστεί για να μελετήσουν πώς αυτές οι ρωγμές σχηματίζονται και εξαπλώνονται σε ένα μέταλλο που βρίσκεται υπό επαναλαμβανόμενη τάση.
Τα αποτελέσματα της μελέτης γεννούν την ελπίδα ότι κάποια στιγμή στο -όχι και τόσο μακρινό- μέλλον, θα γίνει δυνατή η κατασκευή μεταλλικών εξαρτημάτων και εξοπλισμού με δυνατότητα αυτοεπιδιόρθωσης ελαττωμάτων στη μεταλλική δομή,
Η κόπωση των μετάλλων παρατηρείται όταν το μέταλλο -σε μορφή μεταλλικών εξαρτημάτων σε μηχανήματα, οχήματα και κατασκευές- εμφανίζει μικροσκοπικές ρωγμές μετά την έκθεση σε επαναλαμβανόμενη τάση ή κίνηση, ένα φαινόμενο που τείνει να επιδεινώνεται με την πάροδο του χρόνου. Η κόπωση των μετάλλων μπορεί να προκαλέσει καταστροφικές αστοχίες σε τομείς όπως η αεροπορία -στους κινητήρες αεριωθουμένων, για παράδειγμα- και σε υποδομές όπως οι γέφυρες.
Στα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν στο Sandia National Laboratories στο New Mexico των ΗΠΑ, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια τεχνική που έθετε υπό κυκλική τάση τα άκρα μικροσκοπικών μεταλλικών τεμαχίων με ρυθμό περίπου 200 φορές το δευτερόλεπτο. Αρχικά σχηματίστηκε μια ρωγμή και εξαπλώθηκε, αλλά 40 περίπου λεπτά μετά το πείραμα, τα μεταλλικά τεμάχια αυτοεπιδιόρθωσαν τη ρωγμή. Οι ερευνητές ονόμασαν αυτό το φαινόμενο «ψυχρή συγκόλληση (cold welding)».
«Η διαδικασία ψυχρής συγκόλλησης είναι μια μεταλλουργική διαδικασία που λαμβάνει χώρα όταν δύο σχετικά λείες και καθαρές επιφάνειες μετάλλου ενώνονται, αναμορφώνοντας τους ατομικούς δεσμούς», δήλωσε ο Brad Boyce, ειδικός στην επιστήμη των υλικών στο Sandia National Laboratories, επικεφαλής της μελέτης που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature.
«Σε αντίθεση με τα αυτοθεραπευόμενα ρομπότ στην ταινία Terminator, η διαδικασία στα μέταλλα δεν είναι ορατή στο ανθρώπινο μάτι. Εμφανίζεται σε νανοκλίμακα και δεν μπορούμε ακόμη να ελέγξουμε τη διαδικασία», πρόσθεσε ο Boyce.
Τα μεταλλικά κομμάτια είχαν πάχος περίπου 40nm και πλάτος μερικά μικρόμετρα. Ενώ το φαινόμενο παρατηρήθηκε στα πειράματα μόνο σε λευκόχρυσο και χαλκό, ο Boyce είπε ότι οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι το φαινόμενο της αυτοθεραπείας μπορεί να συμβεί και σε άλλα μέταλλα και ότι είναι «εντελώς εύλογο» ότι κράματα όπως ο χάλυβας θα μπορούσαν να εμφανίσουν την ίδια συμπεριφορά.
«Είναι δυνατό να οραματιστούμε υλικά προσαρμοσμένα κατάλληλα για να επωφεληθούν από αυτή τη συμπεριφορά. Δεδομένης αυτής της νέας γνώσης, μπορεί να υπάρχουν εναλλακτικές στρατηγικές σχεδιασμού υλικών ή νέες μηχανικές προσεγγίσεις που θα μπορούσαν να επινοηθούν για να μετριάσουν την αστοχία των μετάλλων λόγω κόπωσης. Επιπλέον, αυτή η νέα γνώση μπορεί να ρίξει φως στην αστοχία λόγω κόπωσης σε υπάρχουσες δομές, βελτιώνοντας με αυτό τον τρόπο την ικανότητα μας να ερμηνεύουμε και να προβλέπουμε τέτοιες αστοχίες», πρόσθεσε ο Boyce.
Οι επιστήμονες στο παρελθόν έχουν αναπτύξει ορισμένα αυτοθεραπευόμενα υλικά, κυρίως πλαστικά. Ο συν-συγγραφέας της μελέτης Michael Demkowicz, καθηγητής επιστήμης και μηχανικής των υλικών στο Πανεπιστήμιο A&M του Texas, προέβλεψε την ύπαρξη του φαινομένου πριν από μια δεκαετία.
Ο Demkowicz ορθώς υπολόγισε ότι, υπό ορισμένες συνθήκες, η εφαρμοζόμενη τάση στο μέταλλο, που συνήθως θα επιδεινώσει τις ρωγμές που σχετίζονται με την κόπωση, θα μπορούσε να έχει το αντίθετο αποτέλεσμα. «Η εικασία μου τώρα είναι ότι οι πρακτικές εφαρμογές των ευρημάτων μας θα χρειαστούν άλλα 10 χρόνια για να αναπτυχθούν σε εμπορικά διαθέσιμα προϊόντα. Όταν έκανα για πρώτη φορά τις προβλέψεις μου, κάποιοι θεωρούσαν ότι κατά κάποιο τρόπο δουλεύω σε ένα T-1000 από την ταινία Terminator. Πρέπει να τονίσω ότι το Τ-1000, εξακολουθεί να είναι επιστημονική φαντασία!», είπε ο Demkowicz.
Το φαινόμενο της αυτοθεραπείας παρατηρήθηκε σε ένα πολύ συγκεκριμένο περιβάλλον με τη χρήση ηλεκτρονικού μικροσκοπίου.
«Ένα από τα μεγάλα ερωτήματα που μένουν ανοιχτά από τη μελέτη είναι αν η διαδικασία συμβαίνει και σε ατμοσφαιρικές συνθήκες, όχι μόνο στο περιβάλλον κενού του μικροσκοπίου. Αλλά ακόμα κι αν συμβαίνει μόνο στο κενό, εξακολουθεί να έχει σημαντικές συνέπειες για την κόπωση των μεταλλικών εξαρτημάτων στα διαστημικά οχήματα ή την κόπωση που σχετίζεται με ρωγμές στην εσωτερική δομή ενός μεταλλικού εξαρτήματος, που δεν εκτίθενται στην ατμόσφαιρα», είπε ο Boyce.
Με πληροφορίες από reuters.com
