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Metalli autorigeneranti
Quando lo studente laureato Guoqiang Xu e l'assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali Michael Demkowicz, SM '04, PhD '05, hanno visto per la prima volta il risultato, hanno pensato che fosse un errore. In determinate condizioni, hanno scoperto che mettere in tensione un pezzo di metallo incrinato, ovvero esercitare una forza che ci si aspetterebbe di separarlo, aveva l'effetto opposto, provocando la chiusura della fessura e la fusione dei suoi bordi. La scoperta, dicono, potrebbe portare a materiali autoriparanti che riparano il danno incipiente prima che abbia la possibilità di diffondersi.
Una simulazione mostra una piccola crepa (barra orizzontale scura) che si ripara da sola quando il metallo viene sottoposto a stress.
Dovevano tornare indietro e controllare, dice Demkowicz, quando invece di estendersi, [la crepa] si stava chiudendo. La domanda successiva era: 'Perché sta succedendo questo?'
La risposta si è rivelata risiedere nella microstruttura cristallina di un metallo, in questo caso il nichel, che è la base per le superleghe utilizzate in ambienti estremi come i pozzi petroliferi in acque profonde. Creando un modello al computer della microstruttura del nichel e studiando la sua risposta a varie condizioni, afferma Demkowicz, abbiamo scoperto che esiste un meccanismo che può, in linea di principio, chiudere le crepe sotto qualsiasi stress applicato.
I metalli tendono ad essere costituiti da minuscoli grani di cristallo, regioni in cui gli atomi sono allineati in modo ordinato. Ai confini tra questi grani, l'orientamento di quel modello può cambiare bruscamente. In determinate condizioni, hanno scoperto Demkowicz e Xu, lo stress provoca il cambiamento della microstruttura, facendo migrare i bordi dei grani, dicono. In effetti, un grano cresce mentre quello adiacente si restringe. Questa migrazione del confine di grano è la chiave per guarire la crepa, dice Demkowicz.
L'autoguarigione si verifica solo nei metalli che contengono un certo tipo di confine, spiega, uno che si estende parzialmente attraverso un grano ma non completamente. Questo crea un tipo di difetto noto come declinazione.
Questi difetti hanno campi di stress intensi, che possono essere così forti da invertire effettivamente ciò che farebbe un carico applicato, afferma Demkowicz. Quindi, quando i due lati di un materiale incrinato vengono separati, invece di rompersi ulteriormente, può guarire. Lo stress delle declinazioni sta portando a questo comportamento inaspettato, dice.
Avendo scoperto questo meccanismo, i ricercatori hanno in programma di studiare come progettare le leghe metalliche in modo che le crepe si chiudano e guariscano sotto carichi tipici di particolari applicazioni. Esistono già tecniche per controllare la microstruttura delle leghe, afferma Demkowicz, quindi è solo questione di capire come ottenere un risultato desiderato.
Questo è un campo che stiamo appena aprendo, dice. Come si progetta una microstruttura per l'autoguarigione? Questo è molto nuovo.