金属の微細な亀裂は自然治癒する可能性がある

金属の微細な亀裂は自己修復することができ、自己修復機械がいつか受けた損傷を回復できる可能性があることを、新しい研究が明らかにした。

機械の金属部品が繰り返し応力にさらされると、微細な亀裂が形成され、時間の経過とともに成長し、部品が破損するまで広がります。 このような疲労は、金属構造のすべての故障の最大 90% の原因となり、多くの場合壊滅的かつ予測不可能な方法で発生します。

以前の研究では、潜在的な治癒成分を活性化するために熱を加えた後に自己修復できる金属を調査しました。 現在、科学者たちは、金属の微細な亀裂が完全に自然に消える可能性があることを発見しました。

「この発見は、最終的には金属の疲労亀裂を軽減するための新たな戦略につながるかもしれない」と、研究の共同著者であり、ニューメキシコ州アルバカーキにあるサンディア国立研究所統合ナノテクノロジーセンターの材料科学者ブラッド・ボイス氏は言う。

新しい研究では、サンディアの研究者らは当初、真空中に保持された厚さ40ナノメートルのプラチナ箔片に亀裂がどのように形成され、広がるかを分析していた。 サンディア氏の要望で開発された、電子顕微鏡に適合する新しい機器を使用して、研究者らは金属の端を毎秒200回繰り返し引っ張り、箔に応力を加えた。

驚くべきことに、実験開始から約 40 分後には損傷が逆転しました。 亀裂の一端は長さ 18 nm に沿って再び融合し、痕跡は残りませんでした。 時間が経つにつれて、実験が続くにつれて、亀裂は別の方向に沿って再び開いた。

この自己修復の秘密は、冷間圧接として知られる現象です。 金属は金属結合によって結合されており、各原子の最外殻電子は材料全体の構造中を自由に動き回れます。 これは、2 つの平らできれいな金属片が接触すると、それらが融合する可能性があることを意味します。 金属結合の性質は、各金属部分の原子と自由電子について、2 つの部分の間に区別がなく、あたかも 1 つの接合された部分であるかのように動作することを意味します。

冷間溶接は、金属の表面が酸化物やその他の汚染物質の層で覆われてしまうことが多いため、日常生活ではあまり目にすることがありません。 ただし、宇宙では問題が発生する可能性があります。たとえば、1991 年に NASA の木星探査機ガリレオの高利得アンテナは、冷間圧接によって一部が融着したために完全に開くことができませんでした。

科学者は、金属を一緒に押し付けるときに冷間圧接が発生する可能性があることを知っています。 しかし、2013年、当時MITの材料科学者マイケル・デムコウィッツ氏と当時大学院生だったグオチャン・シュウ氏によるコンピュータシミュレーションにより、冷間圧接は圧縮を行わなくても微細な亀裂を修復できることが示唆された。 新しい発見は、以前の研究を裏付けています。

「このような直観に反する予測が実験的に検証されるのを見て興奮しました」と、現在カレッジステーションのテキサスA&M大学に在籍しているデムコウィッツは言う。

ボイス氏は、「これは大きな亀裂ではなかったし、完全には治らなかった。 それは微細な亀裂で、亀裂の先端だけが自然に治りました。」

それでも、微細な亀裂であっても自己修復する金属の能力は応用できる可能性があります。 「すべての損傷はナノスケールから始まります」と、この新しい研究の共著者であるデムコウィッツ氏は言う。 「亀裂がまだ小さいうちに修復できれば、損傷の芽を摘むことができます。」

科学者たちは現在、この自己修復が真空ではなく空気中で、また鋼などの合金中で起こるかどうかを確認したいとボイス氏は言う。 最終的には、この効果を意図的に利用できる素材をデザインしたいと彼は付け加えた。

研究者らは研究結果を7月19日のNature誌に詳述した。