金属裂了，还能自我愈合？

裂开的金属，可以在没有任何人为干预的情况下完全愈合吗？如果不是亲眼目睹，很难相信这种科幻或奇幻作品种的桥段，居然真实存在。在一项新发表于《自然》杂志的研究中，美国桑迪亚国家实验室的一组科学家，就首次见证了这种“有违常理”的现象。

  代价高昂的裂纹  

金属的疲劳是指在重复的机械负荷作用下，金属中会出现微小的裂纹。随着时间的推移，这些裂纹会进一步扩展并扩散，直到导致整个装置出现故障，无法正常运作。

疲劳损坏是机器磨损并最终损坏的一种关键原因。从电子设备的焊接点到汽车发动机，再到桥梁与建筑，这些结构经常由于循环载荷导致裂纹产生并最终断裂。这种断裂会衍生出不可预知的故障和损伤。当这种情况发生时，更换成本和时间损失是不可避免的，在某些情况下，甚至还会造成人员伤亡。

虽然科学家们已经创造出了一些自愈式材料，但它们以塑料为主，自愈式金属的概念在很大程度上仍属于科幻的范畴。一直以来，科学家们普遍认为，一旦金属出现裂纹，裂纹只会越来越大，不可能变小。甚至在一些用来描述裂纹生长的基本方程中，也排除了金属自愈过程的可能性。

  意想不到的发现  

2013年，新论文的通讯作者之一Michael Demkowicz开始挑战传统的材料理论。当时，他与另一位合作者G.Q.Xu基于分子动力学的计算机模拟结果，提出了一种可导致纳米级裂纹完全愈合的新机制。

这种机制依赖于晶体中的一种名为向错的的晶体缺陷。通过向错愈合裂纹，不需要任何压缩载荷作用于裂纹面。这意味着，在某些条件下，金属上的由磨损形成的微小裂纹，应该能够完全愈合。

现在，在一项起初并非为了验证这一机制的研究中，桑迪亚国家实验室的研究人员意外地发现，这一理论是正确的。

一开始，研究人员想要研究裂纹在真空中的纳米级铂片（约40纳米厚）上会如何形成和扩散。他们使用了一种专门的电子显微镜技术，能够以每秒200次的次数反复拉动铂片的两端。

绿色区域代表裂纹形成然后愈合的位置。红色箭头表示意外地触发了这一现象的拉力方向。（图/Dan Thompson）

在实验进行了大约40分钟后，令人惊讶的一幕出现了——损坏发生了逆转，裂纹的一端重新融合在了一起，完全看不到原先受损的痕迹。随着时间的推移，裂纹开始沿着不同的方向重新生长、愈合。

这让研究人员非常震惊。材料科学家Brad Boyce是新论文的另一名通讯作者，他早就知晓Demkowicz的理论，于是便将这一发现与Demkowicz分享。Demkowicz在计算机模型上重现了这一实验，证实了桑迪亚国家实验室的研究人员在现实中看到的现象，与他于2013年就已提出的理论一致。

  光明的未来？

这是令人震惊的发现，如果这一现象能被加以利用，这或将引领一场工程革命。在这场革命中，自愈式的引擎、桥梁和飞机，可以逆转由磨损造成的损坏，使它们更安全、更持久。

不过，关于这种自愈式的过程，仍存在许多未知。目前，研究人员并不确定它能否成为制造环境中的实用工具。因为虽然它表明这种金属自愈可以发生在真空环境的纳米晶体金属中，但不确定这是否也可以发生在空气环境中的传统金属中。

研究人员认为，接下来，这一现象的普遍程度或许会成为许多研究的主题。尽管面临众多未知，这一发现仍然是材料科学的一次飞跃性突破，它表明，至少在纳米级的损伤的情况下，金属具有自身固有的、自然的自愈能力。

#创作团队：

编译：小雨

排版：雯雯

#参考来源：

https://newsreleases.sandia.gov/healing_metals/

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.111.145501

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06223-0

https://futurism.com/the-byte/scientists-intrigued-metal-heal-itself-damage

#图片来源：

封面图&首图：Dan Thompson via sandia.gov