Le crepe microscopiche nel metallo possono guarire spontaneamente

Crepe microscopiche nei metalli possono guarire da sole, suggerendo che le macchine autoriparanti potrebbero un giorno invertire i danni subiti, rivela un nuovo studio.

Quando le parti metalliche delle macchine vengono esposte ripetutamente a sollecitazioni, si formano crepe microscopiche che crescono e si espandono nel tempo fino alla rottura delle parti. Tale fatica è responsabile fino al 90% di tutti i guasti alle strutture metalliche, spesso in modo catastrofico e imprevedibile.

Precedenti ricerche hanno studiato i metalli che potrebbero ripararsi dopo l’applicazione del calore per attivare i componenti di guarigione latenti. Ora gli scienziati hanno scoperto che le crepe microscopiche nel metallo possono scomparire del tutto da sole.

"Questa scoperta potrebbe eventualmente portare a nuove strategie per mitigare le fessurazioni da fatica nei metalli", afferma l'autore principale dello studio Brad Boyce, scienziato dei materiali presso il Centro per le nanotecnologie integrate dei Sandia National Laboratories ad Albuquerque, nel New Mexico.

Nel nuovo studio, i ricercatori del Sandia stavano originariamente analizzando come si formavano e si diffondevano le crepe in pezzi di lamina di platino spessi 40 nanometri e tenuti sotto vuoto. Utilizzando un nuovo strumento sviluppato su richiesta di Sandia e che potrebbe essere inserito in un microscopio elettronico, i ricercatori hanno ripetutamente tirato i bordi del metallo 200 volte al secondo per sollecitare la lamina.

Sorprendentemente, dopo circa 40 minuti dall'inizio dell'esperimento, il danno ha invertito il corso. Un'estremità di una fessura si è fusa di nuovo insieme lungo 18 nm della sua lunghezza, senza lasciare traccia. Col passare del tempo, man mano che l’esperimento continuava, la fessura si è riaperta lungo una direzione diversa.

Il segreto di questa autoriparazione è un fenomeno noto come saldatura a freddo. I metalli sono tenuti insieme da legami metallici, in cui gli elettroni più esterni di ciascun atomo sono liberi di muoversi all'interno della struttura complessiva del materiale. Ciò significa che quando due pezzi di metallo piatti e puliti entrano in contatto, possono fondersi insieme. La natura dei legami metallici fa sì che per gli atomi e gli elettroni liberi in ciascun pezzo di metallo non vi sia alcuna distinzione tra i due pezzi e si comportino come se fossero un unico pezzo unito.

La saldatura a freddo di solito non si vede nella vita di tutti i giorni perché i metalli spesso finiscono per essere rivestiti da strati di ossidi e altri contaminanti che ne impediscono il verificarsi. Tuttavia, può portare a problemi nello spazio: ad esempio, l'antenna ad alto guadagno della sonda Galileo della NASA diretta a Giove non è riuscita ad aprirsi completamente nel 1991 perché la saldatura a freddo ne ha fuso insieme alcune parti.

Gli scienziati sanno che la saldatura a freddo può verificarsi quando i metalli vengono pressati insieme. Tuttavia, nel 2013, le simulazioni al computer dello scienziato dei materiali Michael Demkowicz, allora al MIT, e dell’allora studente laureato Guoqiang Xu hanno suggerito che la saldatura a freddo potrebbe guarire crepe microscopiche anche senza compressione. Le nuove scoperte supportano quel lavoro precedente.

"Ero entusiasta di vedere una previsione così controintuitiva ottenere una convalida sperimentale", afferma Demkowicz, ora alla Texas A&M University di College Station.

Boyce avverte che “non si trattava di una grossa crepa e non si è rimarginata completamente. Era una fessura microscopica che si rimarginava solo sulla punta”.

Tuttavia, la capacità del metallo di autoripararsi anche da una fessura microscopica potrebbe trovare applicazioni. "Tutti i danni iniziano su scala nanometrica", afferma Demkowicz, uno degli autori principali del nuovo studio. “Se riusciamo a sanare le crepe mentre sono ancora piccole, possiamo stroncare i danni sul nascere”.

Gli scienziati ora vogliono vedere se questa autoriparazione può avvenire nell'aria invece che nel vuoto e in leghe come l'acciaio, dice Boyce. In definitiva, vorrebbero progettare materiali che possano sfruttare intenzionalmente questo effetto, aggiunge.

I ricercatori hanno dettagliato i loro risultati il ​​19 luglio sulla rivista Nature.