科學(xué)家首次目睹了斷裂的金屬碎片在沒有任何人為干預(yù)的情況下融合在一起，這一過程推翻了基本的科學(xué)理論。如果能夠?qū)⑦@種新發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象加以利用，可能會(huì)引發(fā)一場工程革命：自我修復(fù)的發(fā)動(dòng)機(jī)、橋梁和飛機(jī)可以逆轉(zhuǎn)磨損造成的損害，從而更安全、更耐用。

7月19日，美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室和得克薩斯農(nóng)工大學(xué)聯(lián)合研究小組在《自然》上描述了這一發(fā)現(xiàn)。

“親眼看到這一切絕對(duì)令人震驚。”桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)家Brad Boyce說，“我們已經(jīng)證實(shí)，金屬有自己內(nèi)在的、自然的自我愈合能力，至少在納米級(jí)疲勞損傷的情況下是這樣。”

疲勞損傷是機(jī)器磨損并最終損壞的一種方式。反復(fù)的應(yīng)力或運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致微觀裂紋的形成。隨著時(shí)間推移，這些裂紋會(huì)生長和擴(kuò)散，直至斷裂。

Boyce團(tuán)隊(duì)看到的消失的裂縫就是以納米為單位的微小但重要的裂縫。

“從電子設(shè)備的焊點(diǎn)到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)再到橋梁，這些結(jié)構(gòu)經(jīng)常由于循環(huán)載荷而發(fā)生不可預(yù)測的故障，從而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生并最終斷裂。”Boyce說，“當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，我們必須面對(duì)重置產(chǎn)生的成本和時(shí)間損失，在某些情況下，甚至還有人員傷亡。這些故障對(duì)美國的經(jīng)濟(jì)影響每年以數(shù)千億美元來衡量。”

雖然科學(xué)家已經(jīng)創(chuàng)造了一些自修復(fù)材料——主要是塑料，但自修復(fù)金屬的概念在很大程度上仍只存在于科幻小說中。

“金屬裂紋只會(huì)變得更大，而不是更小。即使是我們用來描述裂紋生長的一些基本方程也排除了這種自愈的可能性。”Boyce說。

2013年，時(shí)任美國麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系助理教授、現(xiàn)得克薩斯農(nóng)工大學(xué)教授Michael Demkowicz開始研究傳統(tǒng)材料理論。他發(fā)表了一項(xiàng)基于計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果的新理論，認(rèn)為在某些條件下，金屬應(yīng)該能夠修復(fù)由磨損形成的裂紋。

由桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室和美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合運(yùn)營的綜合納米技術(shù)中心則在無意中發(fā)現(xiàn)，Demkowicz的理論是正確的。

現(xiàn)為美國田納西大學(xué)副教授的Khalid Hattar和現(xiàn)在能源部核能辦公室工作的Chris Barr在桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室工作時(shí)有了這一發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時(shí)，他們只是想使用自己開發(fā)的一種專門的電子顯微鏡技術(shù)評(píng)估裂紋是如何在納米級(jí)的鉑片中形成和擴(kuò)散的，該技術(shù)可在金屬末端以每秒200次的速度對(duì)其進(jìn)行反復(fù)拉扯。

令人驚訝的是，實(shí)驗(yàn)開始約40分鐘后，損傷發(fā)生了逆轉(zhuǎn)。裂縫的一端融合在一起，仿佛實(shí)現(xiàn)原路返回，沒有留下任何受損的痕跡。隨著時(shí)間推移，裂紋沿著不同的方向重新生長。Hattar認(rèn)為這是“前所未有的現(xiàn)象”。

“當(dāng)然，聽到這個(gè)消息我很高興。”Demkowicz說。然后，這位教授在計(jì)算機(jī)模型上重現(xiàn)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了在桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室看到的現(xiàn)象與他多年前提出的理論一致。

關(guān)于金屬自修復(fù)過程還有很多未知數(shù)，包括它是否會(huì)成為制造業(yè)中的實(shí)用工具。

“這些發(fā)現(xiàn)在多大程度上具有普遍性，很可能成為廣泛研究的一個(gè)課題。”Boyce說，“我們展示了在真空中的納米金屬中發(fā)生的這種情況，但不知道這種現(xiàn)象是否會(huì)在空氣中的常規(guī)金屬中存在。”

然而，盡管存在種種未知，這一發(fā)現(xiàn)仍然是材料科學(xué)前沿的一次飛躍。

Demkowicz說： “我希望這一發(fā)現(xiàn)能夠讓材料研究人員認(rèn)識(shí)到，在適當(dāng)情況下，材料能夠做以前人們從未預(yù)料到的事情。”

（原標(biāo)題《科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)金屬裂紋可自修復(fù)》）

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06223-0