Wetenschappers: Metaal kan scheurtjes op nanoschaal zelf herstellen

Wetenschappers zijn erin geslaagd een metaal zelfstandig – zonder tussenkomst van de mens – kleine scheurtjes te laten repareren. De ontdekking maakt in potentie de weg vrij naar ‘zelfreparerende’ motoren, bruggen en vliegtuigen.

Het materiaal is ontwikkeld door Sandia National Laboratories en de Texas A&M University. “We hebben bevestigd dat metalen een eigen intrinsiek, natuurlijk vermogen hebben voor het herstellen van zichzelf, in ieder geval wat betreft schade op nanoschaal door metaalmoeheid”, legt Brad Boyce, onderzoekers bij het Sandia National Laboratory, uit.

Herhaaldelijke stress of beweging

Metaalmoeheid is schade die ontstaat door herhaaldelijke stress of beweging, waardoor op nanoschaal scheurtjes ontstaan in het materiaal. Deze scheurtjes kunnen na verloop van tijd groeien. Dit kan uiteindelijk leiden tot technische mankementen en het stilvallen van machines. Het team van Boyce zag met eigen ogen een dergelijk scheurtje op nanoniveau herstellen.

“Van soldeerverbindingen in onze elektronische apparaten tot de motor van ons voertuig en de bruggen waarover we rijden; deze structuren falen vaak onvoorspelbaar door cyclische belasting, wat leidt tot het ontstaan van scheurtjes en uiteindelijk breuken”, legt Boyce uit. “Indien zij falen, krijgen we te maken met vervangingskosten, tijdsverlies en – in sommige gevallen – zelfs verwondingen of verlies van levens. De economische impact van deze problemen bedraagt honderden miljoenen dollars per jaar in de Verenigde Staten (VS).”

Tot nu toe geen bewijs voor zelfreparerend metaal

Het is niet voor het eerst onderzoekers slagen in het ontwikkelen van zelfreparerende materialen. Tot nu toe ging het daarbij echter met name om plastics. Er was tot nu toe echter geen bewijs dat ook metaal in staat was zichzelf te herstellen.

“Scheurtjes in metaal werden verwacht alleen groter te worden, en niet kleiner. Zelfs sommige basisvergelijkingen die we gebruiken voor het omschrijven van de groei van scheurtjes sluit de mogelijkheid van dergelijke herstelprocessen uit”, aldus Boyce.

Theorie uit 2013

Wel zijn er al langer aanwijzingen dat dit mogelijk moet zijn. Zo werkt Michael Demkowicz, voormalig assistent-hoogleraar aan de department of materials science and engineering van de Massachusetts Institute of Technology en inmiddels als hoogleraar verbonden aan de Texas A&M University, al sinds 2013 aan dergelijk materiaal. Hij publiceerde in 2013 een nieuwe theorie op basis van computersimulaties dat metaal onder bepaalde omstandigheden scheurtjes die ontstaan door slijtage kan verhelpen.

De theorie van Demkowicz is nu bevestigd door het team van de Sandia National Laboratories en Texas A&M University. Het team deed deze ontdekking bij toeval in het Center for Integrated Nanotechnologies, waarin Sandia samenwerkt met nationale laboratoria uit het Amerikaanse Los Alamos. Zij voerden in het centrum een experiment uit waarmee zij het vormen van scheurtjes in een stukje platinum op nanoschaal in kaart wilden brengen. Hierbij maakten zij gebruik van een gespecialiseerde microscopie-technologie. De onderzoekers kunnen hiermee tweehonderd keer per seconde aan de uiteinden van dit stukje platinum trekken voor het creëren van metaalmoeheid.

Scheurtjes verdwijnen weer

Zo’n veertig minuten in het experiment ontdekte het team echter dat de scheurtjes die door hun techniek ontstonden weer verdwenen. Het materiaal smolt hierbij aan een zijde van de scheur opnieuw samen, waarna er geen spoor van de scheur achterbleef. In een later stadium ‘hergroeide’ het materiaal verder en herstelde de volledige scheur.

Demkowicz is blij met de ontdekking. De hoogleraar heeft de ontdekking van de onderzoekers inmiddels gerecreëerd in een computermodel. Hij bevestigt dat het fenomeen dat het team waarnam gelijk is aan het fenomeen waarover hij in 2013 een theorie ontwikkelde. “Mijn hoop is dat deze ontdekking materiaalonderzoekers aanmoedigt te overwegen dat – onder de juiste omstandigheden – materialen dingen kunnen doen die we niet verwachten”, aldus Demkowicz.

Meer informatie is beschikbaar in het wetenschappelijke tijdschrift Nature, waar de onderzoekers hun bevindingen beschrijven.

Auteur: Wouter Hoeffnagel