L'osservazione stessa della guarigione dei metalli conferma la previsione di un ricercatore della Texas A&M

Una fessura microscopica si è formata in un piccolissimo pezzo di platino quando sottoposto a stiramento ripetuto. L'esperimento, progettato per studiare la crescita delle cricche da fatica, è continuato come previsto per un po' prima che accadesse qualcosa di inaspettato. La fessura smise di crescere e cominciò invece ad accorciarsi, “guarigione” di fatto.

Un gruppo di ricercatori dei Sandia National Laboratories ha fatto questa sorprendente osservazione mentre conduceva esperimenti di frattura su metalli nanocristallini. I risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Nature.

Sarebbe ragionevole pensare, prima di questa scoperta, che il metallo autoriparante fosse qualcosa che si poteva trovare solo nella fantascienza. Il dottor Michael Demkowicz, professore presso il dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali della Texas A&M University e coautore del recente studio, non sostiene tali ipotesi.

Dieci anni fa, mentre era assistente professore presso il dipartimento di scienza dei materiali e ingegneria del Massachusetts Institute of Technology, Demkowicz e il suo studente predissero l'autoriparazione dei metalli.

“Non abbiamo deciso di trovare la guarigione. Il mio studente, Guoxiang Xu, stava facendo simulazioni sulla frattura”, ha detto Demkowicz. "Abbiamo osservato accidentalmente la guarigione spontanea in una delle sue simulazioni e abbiamo deciso di proseguire."

Allora, proprio come adesso, i risultati del 2013 sono stati sorprendenti. Demkowicz ha aggiunto che lui, il suo studente e i suoi colleghi erano tutti un po' scettici nei confronti della teoria originale. Tuttavia, i suoi modelli di simulazione avrebbero visto molte riproduzioni ed espansioni da parte di altri ricercatori negli anni successivi.

"È diventato chiaro che le simulazioni non erano sbagliate poiché altri hanno visto lo stesso effetto nel loro lavoro di modellazione", ha detto Demkowicz. “Tuttavia, fino ad ora gli esperimenti erano fuori portata”.

Sia i modelli del 2013 che il recente esperimento hanno utilizzato metalli nanocristallini che hanno una struttura cristallina, o dimensione dei grani, misurata su scala nanometrica (un milionesimo di millimetro). Sebbene non sia ampiamente utilizzato nelle applicazioni ingegneristiche, la maggior parte dei metalli può essere prodotta in questa forma, secondo Demkowicz.

Ha inoltre spiegato che i metalli nanocristallini facilitano lo studio dell’autoriparazione perché la loro piccola dimensione dei grani consente più caratteristiche microstrutturali con cui anche piccole crepe possono interagire.

Entrambi gli studi hanno scoperto che una di queste caratteristiche, i bordi dei grani, può influenzare la guarigione delle cricche a seconda della direzione della migrazione dei confini rispetto alla fessura. Demkowicz ha aggiunto che queste caratteristiche sono comuni in molti metalli e leghe e possono essere manipolate.

"L'impatto principale del lavoro attuale è quello di spostare la previsione teorica originale 'fuori dal tavolo da disegno' e mostrare che si verifica nella realtà", ha detto Demkowicz. “Non abbiamo ancora iniziato a ottimizzare le microstrutture per l’autoriparazione. Individuare le migliori alterazioni per promuovere l’autoguarigione è un compito impegnativo per il lavoro futuro”.

Le potenziali applicazioni di questo lavoro potrebbero variare ampiamente. Demkowicz suggerisce che l’autoriparazione potrebbe essere possibile nei metalli convenzionali con granulometrie più grandi, ma saranno necessarie indagini future.

Una condizione comune sia alla teoria del 2013 che al recente esperimento è che entrambi sono stati condotti in ambienti sottovuoto, privi di corpi estranei. Tale materia esterna potrebbe interferire con la capacità delle superfici delle crepe di incollarsi o saldarsi a freddo. Anche con questa limitazione, potrebbero ancora essere possibili applicazioni per la tecnologia spaziale o per crepe interne non esposte all’aria esterna.

Dopo un decennio di lavoro, la teoria di Demkowicz ha dato i suoi frutti nell'esperimento dei Sandia National Laboratories. Per il presente studio, Demkowicz è stato in grado di verificare che il fenomeno recentemente osservato corrispondesse ai suoi modelli di simulazione originali.

“È un esperimento straordinario. Penso però che sia anche una grande vittoria per la teoria”, ha detto Demkowicz. “La complessità dei materiali spesso rende difficile prevedere con sicurezza nuovi fenomeni. Questa scoperta mi fa sperare che i nostri modelli teorici del comportamento materiale siano sulla strada giusta”.