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Sep 11, 2023

Physik

Ein Metallblech, das seine eigenen Risse verschweißen kann, mag wie ein Konzept aus einem Science-Fiction-Roman klingen. Aber genau diese Selbstheilung ist Brad Boyce von den Sandia National Laboratories

Ein Metallblech, das seine eigenen Risse verschweißen kann, mag wie ein Konzept aus einem Science-Fiction-Roman klingen. Aber diese Selbstheilung ist genau das, was Brad Boyce von den Sandia National Laboratories in New Mexico und Kollegen kürzlich bei Experimenten zur Erforschung der Eigenschaften beschädigter Platinfilme festgestellt haben [1]. Ihre Beobachtungen sind ein Novum für dieses Verhalten, das Auswirkungen auf die Entwicklung einer Infrastruktur haben könnte, die gegen mechanische Ermüdung resistent ist.

Im Laufe der Jahre haben verschiedene Wissenschaftler die Theorie aufgestellt, dass sich in einer nichtoxidativen Umgebung alle Risse, die in einem Metall entstehen, von selbst schließen sollten. Man geht davon aus, dass diese sogenannte Selbstheilung auftritt, wenn die Atome wieder in ihre Nähe gebracht werden, da lokale Druckspannungen die Atome dazu drängen, Bindungen neu zu bilden. „Der Prozess ähnelt dem Kaltschweißen“, sagt Boyce, bei dem Materialien im Vakuum ohne die Hilfe von Fusion oder Hitze zusammenkleben. Aber bis jetzt hatte niemand diese Schweißung gesehen.

Boyce und sein Team stießen auf ihre Beobachtung, als sie eine verwandte Eigenschaft von Metallen untersuchten: wie sich Korngrenzen innerhalb einer kristallinen, nanometerdicken Schicht aus Platinmetall bewegen und ihre Form ändern, wenn das Material einer zyklischen Belastung ausgesetzt wird. Bei Experimenten bei Raumtemperatur und in der Vakuumumgebung eines Elektronenmikroskops stellte das Team fest, dass sich während der Belastung gebildete Ermüdungsrisse vergrößerten und dann wieder zurückgingen.

Das Team stellte außerdem fest, dass sich verheilte Risse nicht wieder öffneten. Vielmehr folgten mit fortschreitender zyklischer Belastung nachfolgende Risse ihren eigenen, einzigartigen Pfaden. Das Material schien sich selbst zu „heilen“. „Das war wirklich atemberaubend für mich“, sagt Boyce. Das Team untersuchte auch das Selbstheilungsverhalten von Kupfer und fand Hinweise darauf, dass Risse im Kupfer sich auch wieder zusammenschweißen können.

Boyce sagt, dass die Beobachtungen des Teams darauf hindeuten, dass sich die Positionen der Atome im Material während des Heilungsprozesses neu konfiguriert haben, was zu einer Änderung der Flugbahn des schwächsten Pfades geführt hat, und fügt hinzu, dass weitere Studien erforderlich sind, um dieses Verhalten vollständig zu erklären. Boyce sagt, dass er zwar noch nicht darüber spekulieren kann, ob sich die mechanischen Eigenschaften des Platinblechs aufgrund der Rissbildung, Heilung und Neukonfiguration verändert haben, die Beobachtungen jedoch darauf hindeuten, dass die Heilung den lokalen Bereich um einen geschlossenen Riss herum irgendwie ermüdungsbeständiger gemacht hat.

Obwohl die Idee eines selbstheilenden Metalls spannende Ideen über Brücken hervorrufen könnte, die in ihren Strukturen entstandene Risse reparieren können, um einen verheerenden Einsturz zu vermeiden, oder über Autos, die aus Unfällen unbeschädigt hervorgehen, muss der Neuschweißprozess noch unter atmosphärischen Bedingungen beobachtet werden . Reinhard Pippan, ein pensionierter Physiker der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, vermutet, dass die Einwirkung von Luft zu Oxidation an den Rissgrenzen führen würde. Die Theorie besagt, dass diese Oxidation die Selbstheilung verhindern sollte. Wenn sich jedoch Risse im Inneren des Metalls bildeten, konnte das gleiche Verhalten beobachtet werden.

Boyce sagt, er und sein Team hätten ein weiteres Elektronenmikroskop, mit dem Experimente in Luft durchgeführt werden könnten. Mit dem Tool wollen sie den Selbstheilungsprozess in einer sauerstoffhaltigen Umgebung untersuchen. Es sind auch Experimente an größeren Metallblöcken erforderlich, um zu sehen, wie sich das Phänomen auf Systeme auswirkt, die für reale Anwendungen relevant sind, beispielsweise bei der Entwicklung von Meeresstrukturen und anderer Infrastruktur. Laut Boyce gibt es eine Vielzahl von Branchen, die an Metallen interessiert sind, die ermüdungsbeständiger sind. Aber er fügt hinzu: „Es sind noch viele weitere Untersuchungen erforderlich, bevor wir dieses [Phänomen] kommerzialisieren und den vollen Nutzen daraus ziehen können.“

- Allison Gasparini

Allison Gasparini ist eine freiberufliche Wissenschaftsautorin mit Sitz in Santa Cruz, Kalifornien.

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