Osservati la progressione del cedimento causato dalla sollecitazione su scala nanometrica nei metalli e il processo del loro ricongiungimento strutturale
L'usura causata da reiterata sollecitazione nei metalli comporta un cedimento graduale attraverso la propagazione incrementale di micro crepe sotto carico meccanico ripetitivo. Nelle applicazioni strutturali, l'usura rappresenta fino al 90 per cento dei guasti in servizio. La prevenzione dell'usura si basa sull'implementazione di ampi fattori di sicurezza e su una sovraprogettazione inefficiente. Nella progettazione metallurgica tradizionale per la resistenza all'usura causata dalla sollecitazione, le microstrutture vengono sviluppate per arrestare o rallentare la progressione delle fessure nanometriche.
Si presume che l'incremento della depauperazione dei metalli causato dall'usura sia irreversibile. Al contrario, in altre classi di materiali, esiste un'alternativa convincente basata su meccanismi di guarigione latenti e inversione del danno.
Ora, gli scienziati per la prima volta hanno visto pezzi di metallo rompersi, quindi fondersi di nuovo insieme senza alcun intervento umano, ribaltando le teorie scientifiche fondamentali nel processo. Se il fenomeno appena scoperto può essere sfruttato, potrebbe inaugurare una rivoluzione ingegneristica, in cui motori, ponti e aeroplani autoriparanti potrebbero invertire i danni causati dall'usura, rendendoli più sicuri e duraturi.
Il team di ricerca dei Sandia National Laboratories e della Texas A&M University ha descritto oggi le loro scoperte sulla rivista Nature. (1).
Il dottor Brad Boyce (2), scienziato dei materiali di Sandia, dice: «Questo è stato assolutamente incredibile da osservare in prima persona. Quello che abbiamo confermato è che i metalli hanno la loro capacità intrinseca e naturale di guarire se stessi, almeno nel caso di danni da fatica su scala nanometrica».
Il danno da reiterata sollecitazione è un modo in cui le macchine si consumano e alla fine si rompono. Lo stress o il movimento ripetuto provocano la formazione di crepe microscopiche. Nel tempo, queste crepe crescono e si diffondono fino a quando - schiocco! L'intero dispositivo si rompe o, nel gergo scientifico, fallisce.
La fessura che Boyce e il suo team hanno visto scomparire era una di queste fratture minuscole ma consequenziali, misurate in nanometri.
Il dottor Brad Boyce continua: «Dai giunti di saldatura nei nostri dispositivi elettronici ai motori dei nostri veicoli ai ponti su cui guidiamo, queste strutture spesso si guastano in modo imprevedibile a causa del carico ciclico che porta all'innesco di cricche e infine alla frattura. Quando si guastano, dobbiamo fare i conti con costi di sostituzione, tempo perso e, in alcuni casi, anche infortuni o perdite di vite umane. L'impatto economico di questi fallimenti si misura in centinaia di miliardi di dollari ogni anno per gli Stati Uniti».
Sebbene gli scienziati abbiano creato alcuni materiali autorigeneranti, principalmente plastica, la nozione di metallo autorigenerante è stata in gran parte dominio della fantascienza.
«Ci si aspettava solo che le crepe nei metalli diventassero più grandi, non più piccole. Anche alcune delle equazioni di base che usiamo per descrivere la crescita delle crepe precludono la possibilità di tali processi di guarigione», ha detto Boyce.
Scoperta inaspettata confermata dall'ideatore della teoria
Nel 2013, Michael Demkowicz - allora assistente professore presso il dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali del Massachusetts Institute of Technology, ora professore ordinario presso Texas A&M - ha iniziato a lavorare sulla teoria dei materiali convenzionali. Ha pubblicato una nuova teoria (3), basata sui risultati delle simulazioni al computer, secondo cui in determinate condizioni il metallo dovrebbe essere in grado di saldare crepe chiuse formate dall'usura.
La scoperta che la sua teoria era vera è arrivata inavvertitamente al Center for Integrated Nanotechnologies (4), una struttura per gli utenti del Dipartimento dell'Energia gestita congiuntamente dai laboratori nazionali Sandia e Los Alamos.
«Certamente non lo stavamo cercando», ha detto Boyce.
Il dottor Khalid Hattar (5), ora professore associato presso l'University of Tennessee, Knoxville, e il dottor Chris Barr (6), che ora lavora per il Department of Energy’s National Nuclear Security Administration, stavano conducendo l'esperimento a Sandia quando è stata fatta la scoperta. Intendevano solo valutare come si formassero e si diffondessero le crepe attraverso un pezzo di platino su scala nanometrica utilizzando una tecnica di microscopio elettronico specializzata che avevano sviluppato per tirare ripetutamente le estremità del metallo 200 volte al secondo.
Sorprendentemente, a circa 40 minuti dall'inizio dell'esperimento, il danno ha invertito la rotta. Un'estremità della crepa si fuse di nuovo come se stesse tornando sui propri passi, senza lasciare traccia della ferita precedente. Nel tempo, la crepa è ricresciuta lungo una direzione diversa.
Il dottor Hattar l'ha definita una “intuizione senza precedenti”.
Riferimenti:
(1) Autonomous healing of fatigue cracks via cold welding
(2) Brad Boyce
(3) Healing of Nanocracks by Disclinations
(4) Center for Integrated Nanotechnologies
(5) Khalid Hattar
(6) Chris Barr
Descrizione foto: Il verde segna il punto in cui si è formata una fessura, poi fusa di nuovo insieme in questa rappresentazione artistica dell'autoguarigione su scala nanometrica nel metallo, scoperta ai Sandia National Laboratories. Le frecce rosse indicano la direzione della forza di trazione che ha innescato inaspettatamente il fenomeno. - Credit: Dan Thompson, Sandia National Laboratories.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: ‘Stunning’ discovery: Metals can heal themselves