실험에서 미세한 균열이 사라지고자가 치유 기계의 가능성이 드러났습니다.

과학자들은 처음으로 금속 균열 조각을 목격한 다음 인간의 개입 없이 다시 융합하여 그 과정에서 근본적인 과학 이론을 뒤집었습니다. 새로 발견된 현상을 활용할 수 있다면 자가 치유 엔진, 교량 및 비행기가 마모로 인한 손상을 되돌릴 수 있어 더 안전하고 오래 지속되는 엔지니어링 혁명을 가져올 수 있습니다.

Sandia National Laboratories와 Texas A&M University의 연구팀은 오늘 저널에 그들의 연구 결과를 설명했습니다. 자연.

Sandia 재료 과학자인 Brad Boyce는 “이것은 직접 보기에 절대적으로 충격적이었습니다.”라고 말했습니다.

Boyce는 “우리가 확인한 것은 적어도 나노 규모의 피로 손상의 경우 금속이 스스로 치유할 수 있는 본질적이고 자연적인 능력을 가지고 있다는 것입니다.”라고 말했습니다.

피로 손상은 기계가 마모되어 결국 파손되는 한 가지 방법입니다. 반복되는 응력이나 움직임으로 인해 미세한 균열이 형성됩니다. 시간이 지남에 따라 이러한 균열이 커지고 퍼질 때까지 — 찰칵! 전체 장치가 고장나거나 과학적 용어로는 실패합니다.

Boyce와 그의 팀이 본 균열은 나노미터 단위로 측정된 작지만 결과적인 골절 중 하나였습니다.

Boyce는 “전자 장치의 솔더 조인트에서 차량 엔진, 우리가 운전하는 다리에 이르기까지 이러한 구조는 균열 시작 및 궁극적인 균열로 이어지는 주기적 부하로 인해 종종 예측할 수 없는 실패를 초래합니다.”라고 말했습니다. “실패하면 교체 비용, 시간 손실, 경우에 따라 부상이나 인명 손실과 싸워야 합니다. 이러한 실패의 경제적 영향은 미국의 경우 매년 수천억 달러로 측정됩니다.”

과학자들이 일부 자가 치유 물질(대부분 플라스틱)을 만들었지만 자가 치유 금속의 개념은 주로 공상 과학 소설의 영역이었습니다.

“금속의 균열은 작아지는 것이 아니라 더 커질 것으로 예상되었습니다. 우리가 균열 성장을 설명하는 데 사용하는 일부 기본 방정식조차도 그러한 치유 과정의 가능성을 배제합니다.”라고 Boyce는 말했습니다.

이론의 창시자가 확인한 뜻밖의 발견

2013년 당시 매사추세츠 공과대학 재료공학부 조교수이자 현재 텍사스 A&M 정교수인 마이클 뎀코위츠(Michael Demkowicz)는 기존의 재료 이론을 조금씩 깎아내리기 시작했습니다. 그는 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 바탕으로 특정 조건에서 금속이 마모로 형성된 균열을 용접할 수 있어야 한다는 새로운 이론을 발표했습니다.

그의 이론이 사실이라는 발견은 Sandia와 Los Alamos 국립 연구소가 공동으로 운영하는 에너지부 사용자 시설인 통합 나노기술 센터에서 우연히 이루어졌습니다.

Boyce는 “우리는 확실히 그것을 찾고 있지 않았습니다.”라고 말했습니다.

Knoxville에 있는 Tennessee 대학의 부교수인 Khalid Hattar와 에너지부 원자력청에서 일하는 Chris Barr는 발견 당시 Sandia에서 실험을 진행하고 있었습니다. 그들은 금속의 끝을 초당 200회 반복적으로 당기기 위해 개발한 특수 전자 현미경 기술을 사용하여 나노 크기의 백금 조각을 통해 균열이 어떻게 형성되고 퍼지는지를 평가하기만 했습니다.

놀랍게도 실험 시작 약 40분 후에 피해가 역전되었습니다. 갈라진 틈의 한쪽 끝이 다시 제자리로 돌아오듯 서로 융합되어 이전 상처의 흔적을 남기지 않았다. 시간이 지남에 따라 균열은 다른 방향으로 다시 커졌습니다.

Hattar는 이를 “전례 없는 통찰”이라고 불렀습니다.

이론을 알고 있던 Boyce는 그의 연구 결과를 Demkowicz와 공유했습니다.

Demkowicz는 “물론 그 소식을 듣고 매우 기뻤습니다.”라고 말했습니다. 그런 다음 교수는 컴퓨터 모델에서 실험을 재현하여 Sandia에서 목격한 현상이 그가 몇 년 전에 이론화한 것과 동일하다는 것을 입증했습니다.

그들의 작업은 에너지부의 과학실, 기본 에너지 과학에서 지원되었습니다. 국가핵안보국과 국립과학재단.

제조 환경에서 실용적인 도구가 될지 여부를 포함하여 자가 치유 프로세스에 대해 많은 부분이 알려지지 않았습니다.

Boyce는 “이러한 발견이 일반화되는 정도는 광범위한 연구의 주제가 될 것”이라고 말했습니다. “우리는 이것이 진공 상태의 나노 결정질 금속에서 일어나는 것을 보여줍니다. 그러나 이것이 공기 중의 기존 금속에서도 유도될 수 있는지 여부는 알 수 없습니다.”

그러나 모든 미지의 사실에도 불구하고 이 발견은 재료 과학의 최전선에서 도약으로 남아 있습니다.

Demkowicz는 “내 희망은 이 발견이 재료 연구원들이 올바른 상황에서 재료가 우리가 예상하지 못한 일을 할 수 있다는 것을 고려하도록 격려하는 것입니다.”라고 말했습니다.

Sandia National Laboratories는 Honeywell International Inc.가 전액 출자한 자회사인 Sandia LLC의 National Technology and Engineering Solutions에서 미국 에너지부의 NNP(National Nuclear Security Administration)를 위해 운영하는 다목적 연구소입니다. Sandia Labs는 뉴멕시코주 앨버커키와 캘리포니아주 리버모어에 주요 시설을 두고 핵 억지력, 글로벌 안보, 국방, 에너지 기술 및 경제적 경쟁력에 대한 주요 연구 개발 책임을 맡고 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/07/230719112556.htm