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Sep 11, 2023

Fisica

Un foglio di metallo in grado di saldare le proprie crepe può sembrare un concetto tratto dalle pagine di un romanzo di fantascienza. Ma questa autoguarigione è esattamente ciò in cui Brad Boyce dei Sandia National Laboratories

Un foglio di metallo in grado di saldare le proprie crepe può sembrare un concetto tratto dalle pagine di un romanzo di fantascienza. Ma quell’autoriparazione è esattamente ciò che Brad Boyce dei Sandia National Laboratories nel New Mexico e colleghi hanno recentemente catturato durante esperimenti che esploravano le proprietà delle pellicole di platino danneggiate [1]. Le loro osservazioni rappresentano la prima volta per questo comportamento, che potrebbe avere implicazioni per lo sviluppo di infrastrutture resistenti alla fatica meccanica.

Nel corso degli anni vari scienziati hanno teorizzato che, in un ambiente non ossidativo, eventuali crepe che si sviluppano in un metallo dovrebbero chiudersi da sole. Si prevede che questa cosiddetta autoguarigione avvenga se gli atomi vengono riportati in prossimità mentre le tensioni di compressione locali spingono gli atomi a riformare i legami. "Il processo è simile alla saldatura a freddo", afferma Boyce, ovvero quando i materiali nel vuoto aderiscono insieme senza l'aiuto di fusione o calore. Ma fino ad ora nessuno aveva visto avvenire questa saldatura.

Boyce e il suo team si sono imbattuti nella loro osservazione mentre osservavano una proprietà correlata dei metalli: come i confini dei grani all'interno di un foglio cristallino di platino spesso nanometri si muovono e cambiano forma quando il materiale è soggetto a un carico ciclico. Eseguendo esperimenti a temperatura ambiente e all'interno dell'ambiente sottovuoto di un microscopio elettronico, il team ha notato che le crepe da fatica che si formavano durante il caricamento crescevano e poi si ritiravano.

Il team ha inoltre osservato che le crepe rimarginate non si sono riaperte. Piuttosto, man mano che il carico ciclico continuava, le crepe successive seguivano i loro percorsi unici. Il materiale sembrava “guarigione” stesso. "È stato davvero sorprendente per me", dice Boyce. Il team ha anche esplorato il comportamento di autoriparazione del rame, trovando prove che anche le crepe nel rame possono saldarsi di nuovo insieme.

Boyce afferma che le osservazioni del team suggeriscono che le posizioni degli atomi nel materiale si sono riconfigurate durante il processo di guarigione, portando a un cambiamento nella traiettoria del percorso più debole, e aggiunge che saranno necessari ulteriori studi per spiegare pienamente questo comportamento. Boyce dice che, anche se non può ancora ipotizzare se le proprietà meccaniche del foglio di platino siano cambiate a causa della rottura, della guarigione e della riconfigurazione, le osservazioni suggeriscono che la guarigione in qualche modo ha reso la regione locale attorno a una fessura chiusa più resistente alla fatica.

Sebbene l’idea di un metallo autoriparante possa evocare idee entusiasmanti su ponti in grado di riparare le crepe che si formano nelle loro strutture, evitando un crollo devastante, o su automobili che emergono indenni dagli incidenti, il processo di risaldatura deve ancora essere osservato in condizioni atmosferiche. . Reinhard Pippan, fisico in pensione dell'Accademia austriaca delle scienze, suggerisce che l'esposizione all'aria porterebbe all'ossidazione ai confini della fessura. La teoria indica che questa ossidazione dovrebbe impedire l’autoguarigione. Ma se le crepe si formassero all'interno del metallo, si potrebbe osservare lo stesso comportamento.

Boyce dice che lui e il suo team hanno un altro microscopio elettronico che può essere utilizzato per fare esperimenti nell'aria. Hanno in programma di utilizzare lo strumento per studiare il processo di autoguarigione in un ambiente contenente ossigeno. Sono inoltre necessari esperimenti su blocchi metallici più grandi per vedere come il fenomeno si manifesta su sistemi rilevanti per applicazioni nel mondo reale, come nello sviluppo di strutture marine e altre infrastrutture. Esiste un vasto insieme di industrie interessate ai metalli più resistenti alla fatica, afferma Boyce. Ma aggiunge: “sono necessarie ancora molte più indagini prima di poter commercializzare questo [fenomeno] e trarne il massimo vantaggio”.

-Allison Gasparini

Allison Gasparini è una scrittrice scientifica freelance con sede a Santa Cruz, California.

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