آزمایشی که دانشمندان را متحیر کرد، یک قطعه فلز ترک خورده، خود را ترمیم کرد
این یافته نشان می‌دهد که در شرایط مناسب، مواد می‌توانند کارهایی را انجام دهند که هرگز انتظارش را نداشتیم.
آیا تاکنون در رابطه با فرآیند ترمیم فلزات چیزی شنیده بودید؟ فرآیند ترمیم فلزات یک روش صنعتی است که برای بازیابی خواص فیزیکی و شیمیایی فلزات پس از آسیب‌های مختلف استفاده می‌شود. این آسیب‌ها می‌توانند ناشی از خوردگی، خستگی مکانیکی، حرارت بالا، نفوذ آب، اکسیداسیون و یا اثرات دیگر باشند. ترمیم فلزات در نتیجهٔ تغییر شکل، نقص‌های ساختاری یا ناهمواری‌ها به وجود آمده است. برخی از فرآیندهای ترمیم فلزات عبارتند از:
- جوشکاری: جوشکاری یک فرآیند اتصال فلزات است که در آن دو یا بیشتر قطعه فلزی به هم متصل می‌شوند. این فرآیند به‌طور عمده در صنایع ساختمانی، خودروسازی، هوا و فضا، صنایع دریایی و صنایع فلزی استفاده می‌شود.
- حمایت کاتدی: این فرآیند برای محافظت از فلزات در مقابل خوردگی و اکسیداسیون به‌کار می‌رود. در این فرآیند، یک فلز میان‌بر (مانند روی یا روی ترکیب شده) به فلز هدف متصل می‌شود، که مانع از تماس مستقیم با محیط خورنده می‌شود.
- رنگ‌آمیزی: رنگ‌آمیزی یک فرآیند غیرفیزیکی است که برای حمایت از فلزات در برابر خوردگی و اکسیداسیون و همچنین جلوگیری از تغییر رنگ فلز به‌کار می‌رود.
- حرارت‌درمانی: این فرآیند شامل تغییر دما و سرعت سرد شدن فلز است تا خواص مکانیکی و ساختاری آن بهبود یابد. این فرآیند به‌طور گسترده‌ای در صنعت فولاد، آلومینیوم و تیتانیوم استفاده می‌شود.
- بازیابی و جبران ناهمواری‌ها: برای رفع نقص‌ها و ناهمواری‌ها در سطح فلزات، فرآیندهای مکانیکی مانند تراشکاری، شیارکاری و سنگ‌زنی استفاده می‌شود.
همچنین ممکن است فرآیندهای دیگری وجود داشته باشند که بسته به نوع فلز و نوع آسیب احتمالی کاربرد دارند. ترمیم فلزات تلاش می‌کند تا فلزات را به حالت کارآمدی و مقاومتی خود بازگرداند و زمان عمر آنها را افزایش دهد.
اما اکنون دانشمندان در کمال تعجب به موضوعی جدید برخوردند که بعضی از فلزات قادرند فرآیند خود ترمیمی را خودشان بدون دخالت انجام دهند.
تیمی از آزمایشگاه‌های ملی ساندیا و دانشگاه A&M تگزاس در حال آزمایش انعطاف‌پذیری فلز بودند و با استفاده از تکنیک میکروسکوپ الکترونی عبوری تخصصی، انتهای فلز را 200 بار در هر ثانیه می‌کشیدند. آنها سپس خود ترمیمی را در مقیاس های بسیار کوچک در یک قطعه پلاتین به ضخامت 40 نانومتر که در خلاء معلق بود مشاهده کردند.
ترک های ناشی از نوع کرنش توصیف شده در بالا به عنوان آسیب خستگی شناخته می شوند: استرس و حرکت مکرر که باعث شکستگی میکروسکوپی می شود و در نهایت باعث شکستن ماشین ها یا سازه ها می شود. به طرز شگفت انگیزی، پس از حدود 40 دقیقه مشاهده، ترک در پلاتین شروع به جوش خوردن دوباره کرد و قبل از شروع مجدد در جهتی دیگر، خود را ترمیم کرد.
نیروهای کششی (فلش های قرمز) شکافی ایجاد کردند که در فلز پلاتین ترمیم شد ( قسمت سبز). (آزمایشگاه ملی دن تامپسون/ساندیا) براد بویس، دانشمند علم مواد از آزمایشگاه ملی ساندیا، می‌گوید: تماشای آن کاملاً خیره‌کننده بود. این مطمئناً چیزی نبود که ما به دنبال آن بودیم.»
چیزی که ما تایید کرده‌ایم این است که فلزات توانایی ذاتی و طبیعی خود را برای ترمیم دارند، حداقل در مورد آسیب خستگی در مقیاس نانو.
اینها شرایط دقیقی هستند و ما هنوز نمی دانیم دقیقاً چگونه این اتفاق می افتد یا چگونه می توانیم از آن استفاده کنیم. با این حال، اگر به هزینه‌ها و تلاش‌های لازم برای تعمیر همه چیز، از پل‌ها گرفته تا موتورها و تلفن‌ها فکر کنید، نمی‌توان گفت که فلزات که قادر به خودترمیمی هستند، چقدر می‌توانند تفاوت ایجاد کنند.
و در حالی که این مشاهده بی سابقه است، کاملاً غیرمنتظره نیست. در سال 2013، مایکل دمکوویچ، دانشمند مواد دانشگاه A&M تگزاس، روی مطالعه‌ای کار کرد که پیش‌بینی می‌کرد این نوع ترمیم نانوترک ممکن است اتفاق بیفتد، زیرا دانه‌های کریستالی ریز درون فلزات اساساً مرزهای خود را در پاسخ به استرس تغییر می‌دهند.
دمکوویچ همچنین روی این آخرین مطالعه کار کرد و با استفاده از مدل‌های رایانه‌ای به‌روز شد تا نشان دهد که نظریه‌های ده‌ساله‌اش درباره رفتار خود ترمیمی فلز در مقیاس نانو با آنچه در اینجا اتفاق می‌افتد مطابقت دارد.
اینکه فرآیند ترمیم خودکار در دمای اتاق اتفاق افتاده است یکی دیگر از جنبه های امیدوارکننده این تحقیق است. فلز معمولاً برای تغییر شکل خود به گرمای زیادی نیاز دارد، اما آزمایش در خلاء انجام شد. باید دید که آیا همین فرآیند در فلزات معمولی در یک محیط معمولی اتفاق خواهد افتاد یا خیر.
یک توضیح احتمالی شامل فرآیندی به نام جوش سرد است که در دمای محیط هر زمان که سطوح فلزی به اندازه کافی به هم نزدیک می شوند تا اتم های مربوطه به هم گره بخورند، اتفاق می افتد. به طور معمول، لایه‌های نازک هوا یا آلاینده‌ها در فرآیند اختلال ایجاد می‌کنند. در محیط هایی مانند خلاء فضا، فلزات خالص را می توان به اندازه کافی به هم نزدیک کرد تا به معنای واقعی کلمه به هم بچسبند.
دمکوویچ می گوید: “امید من این است که این یافته محققان مواد را تشویق کند تا در نظر بگیرند که در شرایط مناسب، مواد می توانند کارهایی را انجام دهند که هرگز انتظارش را نداشتیم.”
