Kunnen in de toekomst machines zichzelf repareren?

Microscopische scheurtjes in metalen kunnen zichzelf genezen, wat suggereert dat zelfherstellende machines op een dag de schade die ze hebben opgelopen, kunnen terugdraaien. Dat blijkt uit een studie in het tijdschrift Nature.

Wanneer metalen onderdelen in machines herhaaldelijk worden blootgesteld aan spanning, ontstaan ​​er microscopische scheurtjes die in de loop van de tijd groeien en zich verspreiden totdat de onderdelen breken. Dergelijke vermoeidheid is verantwoordelijk voor tot wel negentig procent van alle storingen in metalen constructies, vaak op een onvoorspelbare manier.

Eerder onderzoek onderzocht metalen die zichzelf konden herstellen nadat warmte was toegepast om latente genezende componenten te activeren. Nu ontdekken wetenschappers dat microscopische scheurtjes in metaal helemaal vanzelf kunnen verdwijnen.

‘Deze ontdekking kan uiteindelijk leiden tot nieuwe strategieën om vermoeiingsscheuren in metalen te verminderen’, zegt cosenior auteur Brad Boyce, een materiaalwetenschapper bij Sandia National Laboratories ‘Center for Integrated Nanotechnologies in Albuquerque, New Mexico.

In de studie analyseerden onderzoekers van Sandia oorspronkelijk hoe scheuren zich vormden en verspreidden in stukken platinafolie van veertig nanometer dik en die in vacuüm werden gehouden. Met behulp van een nieuw instrument dat op verzoek van Sandia was ontwikkeld en dat in een elektronenmicroscoop zou kunnen passen, trokken de onderzoekers herhaaldelijk tweehonderd keer per seconde aan de randen van het metaal om de folie te spannen.

Verrassend genoeg keerde de schade na ongeveer veertig minuten van een experiment om. Het ene uiteinde van een scheur versmolten weer samen over 18 nm van zijn lengte, zonder een spoor achter te laten. Na verloop van tijd, naarmate het experiment vorderde, heropende de scheur zich in een andere richting.

Het geheim achter dit zelfherstel is een fenomeen dat bekend staat als koudlassen. Metalen worden bij elkaar gehouden door metaalbindingen, waarbij de buitenste elektronen van elk atoom vrij kunnen bewegen door de algehele structuur van het materiaal. Dit betekent dat wanneer twee platte, schone stukken metaal met elkaar in contact komen, ze kunnen samensmelten. De aard van metaalbindingen betekent dat er voor de atomen en vrije elektronen in elk stuk metaal geen onderscheid is tussen de twee stukken, en dat ze zich gedragen alsof ze één samengevoegd stuk zijn.

Koudlassen komt in het dagelijks leven meestal niet voor omdat metalen vaak worden bedekt met lagen oxiden en andere verontreinigingen die voorkomen dat dit gebeurt. Het kan echter tot problemen in de ruimte leiden – de high-gain antenne in Nasa’s Galileo-sonde naar Jupiter ging bijvoorbeeld in 1991 niet volledig open omdat delen ervan door koudlassen aan elkaar waren gesmolten.

Wetenschappers hebben geweten dat koudlassen kan optreden wanneer metalen tegen elkaar worden gedrukt. In 2013 suggereerden computersimulaties van materiaalwetenschapper Michael Demkowicz, toen aan het MIT, en de toenmalige afgestudeerde student Guoqiang Xu echter dat koudlassen zelfs zonder compressie microscopisch kleine scheuren zou kunnen genezen. De nieuwe bevindingen ondersteunen dat eerdere werk.

‘Ik was verheugd om te zien dat zo’n contra-intuïtieve voorspelling experimentele validatie kreeg’, zegt Demkowicz, nu aan de Texas A&M University in College Station.

Boyce waarschuwt dat ‘dit geen grote scheur was, en het genas zichzelf niet helemaal. Het was een microscopisch kleine scheur die zichzelf alleen aan het uiteinde van de scheur genas.’

Toch kan het vermogen van metaal om zelfs een microscopisch kleine scheur zelf te genezen toepassingen vinden. ‘Alle schade begint op nanoschaal’, zegt Demkowicz, een cosenior auteur van de nieuwe studie. ‘Als we scheuren kunnen genezen terwijl ze nog klein zijn, kunnen we schade in de kiem smoren.’

De wetenschappers willen nu zien of deze zelfgenezing kan gebeuren in lucht in plaats van vacuüm, en in legeringen zoals staal, zegt Boyce. Uiteindelijk willen ze materialen ontwerpen die opzettelijk kunnen profiteren van dit effect, voegt hij eraan toe.