金属の治癒そのものの観察はテキサスA&Mの研究者の予測を裏付ける

繰り返し引っ張られると、非常に小さなプラチナ片に微細な亀裂が生じました。 疲労亀裂の成長を研究するために設計されたこの実験は、予期せぬことが起こるまで、しばらく予測どおりに継続されました。 亀裂は成長を停止し、代わりに短くなり始め、効果的に自然に「治癒」しました。

サンディア国立研究所の研究者グループは、ナノ結晶金属の破壊実験を行っているときに、この驚くべき観察を行いました。 この研究結果は最近、Nature誌に掲載されました。

この発見以前は、自己修復金属は SF の中でのみ発見できるものだと考えるのが自然でしょう。 テキサス A&M 大学材料科学工学部の教授であり、最近の研究の共著者であるマイケル・デムコウィッツ博士は、そのような仮定をまったく持っていませんでした。

10年前、マサチューセッツ工科大学材料科学工学部の助教授だった頃、デムコウィッツとその学生は金属の自己修復を予測した。

「私たちは癒しを求めて出発したわけではありません。 私の学生、Guoxiang Xu は骨折に関するシミュレーションを行っていました」とデムコウィッツ氏は語った。 「私たちは彼のシミュレーションの 1 つで自然治癒を偶然観察し、追跡調査することにしました。」

そして、今と同じように、2013 年の結果は驚くべきものでした。 デムコヴィッツ氏は、彼も学生も同僚も皆、当初の理論にはやや懐疑的だったと付け加えた。 しかし、彼のシミュレーション モデルは、その間に他の研究者によって多くの再現と拡張が行われました。

「他の人がモデリング作業で同じ効果を確認したため、シミュレーションが間違っていないことが明らかになりました」とデムコウィッツ氏は述べました。 「しかし、これまで実験は手の届かないところにありました。」

2013年のモデルと最近の実験では両方とも、ナノスケール（100万分の1ミリメートル）で測定される結晶構造、つまり粒径を持つナノ結晶金属が使用された。 Demkowicz 氏によると、工学用途では広く使用されていませんが、ほとんどの金属はこの形で製造できます。

同氏はさらに、ナノ結晶金属は粒径が小さいため、小さな亀裂でも相互作用できる微細構造の特徴が多くなり、自己修復の研究が容易になると説明した。

どちらの研究でも、そのような特徴の 1 つである粒界が、亀裂に対する境界の移動の方向に応じて亀裂の治癒に影響を与える可能性があることがわかりました。 デムコウィッツ氏は、これらの特徴は多くの金属や合金に共通しており、操作できると付け加えた。

「現在の研究の主な影響は、当初の理論的予測を『白紙の状態から』移動させ、それが現実に起こることを示すことだ」とデムコウィッツ氏は語った。 「私たちはまだ、自己修復のための微細構造の最適化を本格的に始めていません。 自己修復を促進する最適な変更を見つけ出すことは、今後の課題となるでしょう。」

この研究の潜在的な用途は広範囲に及ぶ可能性があります。 Demkowicz 氏は、粒子サイズが大きい従来の金属でも自己修復が可能である可能性があるが、今後の調​​査が必要であると示唆しています。

2013年の理論と最近の実験に共通する条件の1つは、どちらも異物のない真空環境で実施されたことだ。 このような外部物質は、亀裂表面が再び結合または冷間圧接される能力を妨げる可能性があります。 この制限があっても、宇宙飛行技術や外気にさらされない内部亀裂などには応用できる可能性があります。

10 年間かけて開発されたデムコウィッツの理論は、サンディア国立研究所の実験に成果をもたらしました。 今回の研究で、デムコヴィッツ氏は、最近観察された現象が彼の元のシミュレーション モデルと一致することを確認することができました。

「素晴らしい実験ですね。 しかし、これは理論上の大きな勝利でもあると思います」とデムコビッチ氏は語った。 「材料の複雑さにより、新しい現象を自信を持って予測することが困難になることがよくあります。 この発見は、物質の挙動に関する私たちの理論モデルが正しい軌道に乗っているという希望を与えてくれます。」