US-Wissenschaftler beweisen, dass Metall sich selbst heilen kann

Wissenschaftler der Texas A&M University und der Sandia National Laboratories in New Mexico haben beobachtet, dass Metall bricht und wieder zusammenschmilzt – eine Entdeckung, die den Weg für selbstheilende Maschinen, Fahrzeuge und Brücken ebnen könnte.

Die in der Wissenschaftszeitschrift Nature veröffentlichte Studie zeigt, dass Metall mikroskopisch kleine Risse selbst reparieren kann, die entstehen, wenn das Material wiederholt Belastungen ausgesetzt wird.

Dies wird durch ein sogenanntes Kaltschweißen erreicht, wodurch weder Wärme noch Strom benötigt werden.

Der Durchbruch könnte erhebliche Auswirkungen auf die Technik haben, argumentiert der Bericht, da 90 Prozent der mechanischen Ausfälle auf Ermüdung von Metallkomponenten zurückzuführen sind, die auftritt, wenn wiederholte Belastungen zur Bildung von Rissen führen.

Indem man sich den Selbstheilungsprozess zunutze macht und die Mikrostruktur von Metallen entsprechend optimiert, prognostizieren die Wissenschaftler, dass es möglich sein könnte, Ermüdungsrisse zu verhindern.

„Wir möchten verstehen, wie die Metallmikrostruktur die Heilung beeinflusst“, sagte Michael J Demkowicz, Professor an der Texas A&M und Co-Hauptautor der Studie.

„Mit diesem Wissen können wir uns vorstellen, die Mikrostruktur so anzupassen, dass sie die Vorteile der Selbstheilung in technologischen Anwendungen nutzt, um beispielsweise Materialien zu schaffen, die widerstandsfähiger gegen Ermüdungsschäden sind“, sagte er zu Dezeen.

Selbstheilung durch Kaltschweißen möglich

Wissenschaftler untersuchen bereits seit Längerem das Potenzial selbstheilender Materialien.

Die meisten Durchbrüche wurden bei der Entwicklung von Kunststoffen erzielt – bei Projekten wie einem selbstheilenden „E-Skin“, der von Wissenschaftlern der University of Colorado Boulder entwickelt wurde – obwohl eine aktuelle MIT-Studie ergab, dass dies auch in Beton möglich ist.

Bisher war die Eigenschaft bei Metallen ohne vorheriges Erhitzen nicht beobachtet worden.

Die Studie zeigt, dass dies bei Raumtemperatur und unter Vakuumbedingungen in einem als Kaltschweißen bekannten Verfahren erreicht werden kann, das hauptsächlich in der Elektronik- und Raumfahrttechnik eingesetzt wird.

Dies geschieht, wenn sich zwei blanke Metallstücke so nahe kommen, dass ihre Atome voneinander angezogen werden und ihre Oberflächen verschmelzen. Dies ist nur möglich, wenn die Metalle völlig sauber sind.

Forscher der Sandia National Laboratories machten die Entdeckung bei Tests, um zu sehen, wie sich Risse in 40 Nanometer dicken Platinstücken bilden.

Sie beobachteten, wie ein Riss wieder zusammenschmolz, keine Spuren hinterließ und sich schließlich an einer anderen Stelle wieder öffnete.

„Es war absolut atemberaubend, das aus erster Hand zu sehen“, sagte der Sandia-Wissenschaftler Brad Boyce gegenüber der Zeitschrift Wiley Analytical Science.

„Wir haben bestätigt, dass Metalle über eine intrinsische, natürliche Fähigkeit zur Selbstheilung verfügen, zumindest im Fall von Ermüdungsschäden im Nanobereich“, sagte Boyce, der auch Co-Hauptautor der Studie ist.

Zehn Jahre, bis die Forschung in die Praxis umgesetzt werden kann

Die Ergebnisse bestätigen eine These, die Demkowicz erstmals 2013 vorschlug, als er noch als Professor am MIT arbeitete und auf den Ergebnissen von Computersimulationen basierte, die er mit dem damaligen Doktoranden Guoqiang Xu erstellt hatte.

Zu diesem Zeitpunkt hatten die beiden keine Möglichkeit, ihre Theorie zu beweisen. Nun haben Sandias Forschungen gezeigt, dass Selbstheilung sowohl bei Kupfer als auch bei Platin möglich ist und die Forscher glauben, dass dies auch bei anderen Metallen der Fall sein kann.

In dem Bericht heißt es, dass die Entdeckung „die grundlegendsten Theorien darüber in Frage stellt, wie Ingenieure die Ermüdungslebensdauer von Strukturmaterialien entwerfen und bewerten“.

Demkowicz geht jedoch davon aus, dass es noch mindestens ein Jahrzehnt dauern wird, bis die Erkenntnisse in die Praxis umgesetzt werden können.

Die nächsten Schritte werden darin bestehen, zu untersuchen, ob sich Metall an der Luft und nicht nur im Vakuum selbst heilen kann und ob der Prozess für Metalllegierungen wie Stahl möglich ist.

„Die wichtigsten kurzfristigen Konsequenzen betreffen grundlegende Theorien zur Ermüdung von Metallen“, sagte er zu Dezeen. „Diese müssen überarbeitet werden, um die Rissheilung zu berücksichtigen.“

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