Wetenschappers zijn voor het eerst getuige geweest van stukjes metaal die barsten en vervolgens weer samensmelten zonder enige menselijke tussenkomst, waarbij fundamentele wetenschappelijke theorieën in het proces werden omvergeworpen. Als het nieuw ontdekte fenomeen kan worden benut, kan dit een technische revolutie inluiden – een waarin zelfherstellende motoren, bruggen en vliegtuigen schade veroorzaakt door slijtage  ongedaan kunnen maken, waardoor ze veiliger en duurzamer worden.

Het onderzoeksteam van Sandia National Laboratories en Texas A&M University beschreef hun bevindingen vandaag in het tijdschrift Nature.

“Dit was absoluut verbluffend om uit de eerste hand te zien”, zegt Sandia-materiaalwetenschapper Brad Boyce.

“Wat we hebben bevestigd, is dat metalen hun eigen intrinsieke, natuurlijke vermogen hebben om zichzelf te genezen, althans in het geval van vermoeidheidsschade op nanoschaal,” zei Boyce.

Vermoeiingsschade is een manier waarop machines verslijten en uiteindelijk kapot gaan. Herhaalde spanning of beweging veroorzaakt microscopische scheurtjes. In de loop van de tijd groeien en verspreiden deze scheuren zich totdat – snap! Het hele apparaat breekt, of in de wetenschappelijke taal, het faalt.
De spleet die Boyce en zijn team zagen verdwijnen, was een van deze kleine maar consequente breuken – gemeten in nanometers.

“Van soldeerverbindingen in onze elektronische apparaten tot de motoren van onze voertuigen tot de bruggen waar we overheen rijden, deze structuren falen vaak op onvoorspelbare wijze als gevolg van cyclische belasting die leidt tot scheurinitiatie en uiteindelijke breuk,” zei Boyce. “Als ze falen, hebben we te maken met vervangingskosten, verloren tijd en in sommige gevallen zelfs verwondingen of het verlies van mensenlevens. De economische impact hiervan wordt elk jaar gemeten in honderden miljarden dollars voor de VS.”

Hoewel wetenschappers een aantal zelfherstellende materialen hebben gemaakt, voornamelijk kunststoffen, is het idee van een zelfherstellend metaal grotendeels het domein van sciencefiction geweest.

“Van scheuren in metalen werd alleen verwacht dat ze groter zouden worden, niet kleiner. Zelfs enkele van de basisvergelijkingen die we gebruiken om de groei van scheuren te beschrijven, sluiten de mogelijkheid van dergelijke genezingsprocessen uit”, zei Boyce.

Onverwachte ontdekking bevestigd door de bedenker van de theorie

In 2013 begon Michael Demkowicz – toen assistent-professor aan de afdeling materiaalkunde en engineering van het Massachusetts Institute of Technology, nu hoogleraar aan Texas A&M – de conventionele materiaaltheorie weg te werken. Hij publiceerde een nieuwe theorie, gebaseerd op bevindingen in computersimulaties, dat metaal onder bepaalde omstandigheden in staat zou moeten zijn om door slijtage veroorzaakte scheuren dicht te lassen.

De ontdekking dat zijn theorie waar was, kwam onbedoeld bij het Center for Integrated Nanotechnologies, een gebruikersfaciliteit van het Department of Energy die gezamenlijk wordt beheerd door de nationale laboratoria van Sandia en Los Alamos.

“We waren er zeker niet naar op zoek,” zei Boyce.

Khalid Hattar, nu universitair hoofddocent aan de Universiteit van Tennessee, Knoxville, en Chris Barr, die nu werkt voor het Office of Nuclear Energy van het Department of Energy, voerden het experiment uit in Sandia toen de ontdekking werd gedaan. Ze wilden alleen evalueren hoe scheuren zich vormden en verspreidden door een stuk platina op nanoschaal met behulp van een gespecialiseerde elektronenmicroscooptechniek die ze hadden ontwikkeld om herhaaldelijk 200 keer per seconde aan de uiteinden van het metaal te trekken.

Verrassend genoeg keerde de schade na ongeveer 40 minuten van het experiment om. Het ene uiteinde van de scheur smolt weer samen alsof het op zijn schreden terugkeerde en liet geen spoor achter van de eerdere verwonding. Na verloop van tijd groeide de scheur in een andere richting terug.

Hattar noemde het een ‘ongekend inzicht’.

Boyce, die op de hoogte was van de theorie, deelde zijn bevindingen met Demkowicz.

“Ik was natuurlijk erg blij om het te horen”, zei Demkowicz. De professor reconstrueerde het experiment vervolgens op een computermodel, waarbij hij aantoonde dat het waargenomen fenomeen bij Sandia hetzelfde was als hij jaren eerder had getheoretiseerd.

Hun werk werd ondersteund door het Office of Science van het Department of Energy, Basic Energy Sciences; de National Nuclear Security Administration en de National Science Foundation.

Er is nog veel onbekend over het zelfherstellende proces, ook of het een praktisch hulpmiddel zal worden in een productieomgeving.

“De mate waarin deze bevindingen generaliseerbaar zijn, zal waarschijnlijk een onderwerp van uitgebreid onderzoek worden,” zei Boyce. “We laten zien dat dit gebeurt in nanokristallijne metalen in vacuüm, maar we weten niet of dit ook kan worden geïnduceerd in conventionele metalen in lucht.”

Maar voor alle onbekenden blijft de ontdekking een sprong voorwaarts op de grens van de materiaalwetenschap.

“Ik hoop dat deze bevinding materiaalonderzoekers zal aanmoedigen om te overwegen dat materialen, onder de juiste omstandigheden, dingen kunnen doen die we nooit hadden verwacht”, zei Demkowicz.

Bronnen: Sandia National Labs