惊人的发现：金属可以自愈

熊明青

在这幅由桑迪亚国家实验室发现的金属纳米自我修复艺术图中，绿色标志着裂缝形成的地方，然后又融合在一起。红色箭头表示意外触发该现象的拉力方向。鸣谢:丹·汤普森，桑迪亚国家实验室

（）据桑迪亚国家实验室：科学家们首次见证了金属碎片在没有任何人为干预的情况下破裂，然后融合在一起，在这个过程中推翻了基本的科学理论。如果新发现的现象能够得到利用，它可能会引发一场工程革命——在这场革命中，自我修复的引擎、桥梁和飞机可以逆转磨损造成的损害，使它们更安全、更持久。

来自桑迪亚国家实验室和德克萨斯A&M大学的研究小组今天在《自然》杂志上描述了他们的发现。

桑迪亚材料科学家布拉德·博伊斯说:“这绝对是亲眼目睹的惊人之举。”。

“我们已经证实的是，金属有自己内在的、自然的自我修复能力，至少在纳米尺度的疲劳损伤情况下是如此，”博伊斯说。

疲劳损坏是机器磨损并最终损坏的一种方式。重复的压力或运动会导致微观裂纹的形成。随着时间的推移，这些裂缝不断扩大，直到——啪！整个装置坏了，或者用科学术语来说，它失败了。

博伊斯和他的团队看到消失的裂缝是这些微小但重要的裂缝之一——以纳米计量。

博伊斯说:“从我们电子设备中的焊点到我们车辆的发动机，再到我们驶过的桥梁，这些结构经常会因循环载荷而不可预测地发生故障，导致裂纹产生并最终断裂。”“当它们确实出现故障时，我们不得不应对替换成本、时间损失，在某些情况下，甚至是人员伤亡。对美国来说，这些失败的经济影响每年以数千亿美元来衡量。”

虽然科学家已经创造了一些自我修复材料，主要是塑料，但自我修复金属的概念在很大程度上一直是科幻小说的领域。

“金属中的裂纹只会变大，而不会变小。甚至我们用来描述裂纹增长的一些基本方程也排除了这种愈合过程的可能性，”博伊斯说。

理论创始人证实的意外发现

2013年，迈克尔·德姆科维兹(Michael Demkowicz)——当时是麻省理工学院材料科学与工程系的助理教授，现在是德克萨斯A&M大学的正教授——开始削弱传统材料理论。他发表了一个基于计算机模拟发现的新理论，即在一定条件下，金属应该能够焊接由磨损形成的裂缝。

由桑迪亚和洛斯阿拉莫斯国家实验室联合运营的能源部用户设施集成纳米技术中心无意中发现了他的理论是正确的。

“我们当然不是在找它，”博伊斯说。

现为田纳西大学诺克斯维尔分校副教授的哈立德·哈塔尔和现为能源部核能办公室工作的克里斯·巴尔在桑迪亚进行实验时发现了这一现象。他们只是想利用他们开发的一种专门的电子显微镜技术来评估裂纹是如何形成并通过纳米尺寸的铂片扩散的，这种技术可以每秒钟重复拉动金属的末端200次。

令人惊讶的是，在实验进行了大约40分钟后，损害发生了逆转。裂缝的一端重新融合在一起，就好像它在沿着原路返回，没有留下以前受伤的痕迹。随着时间的推移，裂缝会沿着不同的方向重新生长。

哈塔尔称之为“前所未有的洞察力”

了解这一理论的博伊斯与德姆科维奇分享了他的发现。

“当然，我很高兴听到这个消息，”Demkowicz说。然后，教授在计算机模型上重现了实验，证实了在桑迪亚目睹的现象与他多年前理论化的现象相同。

他们的工作得到了能源部基础能源科学办公室的支持；国家核安全局和国家科学基金会。

关于自我修复过程还有很多未知，包括它是否会成为制造环境中的实用工具。

博伊斯说:“这些发现的可推广程度可能会成为广泛研究的主题。”“我们展示了这种情况在真空中的纳米晶金属中的发生。但我们不知道这是否也能在空气中的常规金属中诱导出来。”

然而，对于所有的未知，这一发现仍然是材料科学前沿的一次飞跃。

“我希望这一发现将鼓励材料研究人员考虑，在适当的情况下，材料可以做我们从未预料到的事情，”Demkowicz说。