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Sep 11, 2023

物理

亀裂を自ら溶接できる金属板というと、SF 小説のページのコンセプトのように聞こえるかもしれません。 しかし、その自己修復こそが、サンディア国立研究所のブラッド・ボイス氏の研究したものなのです。

亀裂を自ら溶接できる金属板というと、SF 小説のページのコンセプトのように聞こえるかもしれません。 しかし、その自己修復はまさに、ニューメキシコ州サンディア国立研究所のブラッド・ボイス氏らが最近、損傷したプラチナ膜の特性を調べる実験で捉えたものである[1]。 彼らの観察はこのような挙動については初めてであり、機械的疲労に強いインフラの開発に影響を与える可能性がある。

長年にわたり、さまざまな科学者が、非酸化環境では、金属に発生した亀裂は自然に閉じるはずだと理論づけてきました。 このいわゆる自己修復は、局所的な圧縮ひずみが原子を押して結合を再形成する際に、原子が再び接近した場合に起こると予測されている。 「このプロセスは冷間圧接に似ています」とボイス氏は言います。これは、真空中で材料が溶融や熱の助けを借りずに接着することです。 しかし、これまで誰もこの溶接が行われているところを見た人はいませんでした。

ボイス氏と彼のチームは、金属の関連特性を調べているときに、材料に繰り返し負荷がかかったときに結晶質ナノメートル厚さのシート内の結晶粒界がどのように移動し、形状が変化するかという観察に遭遇しました。 室温と電子顕微鏡の真空環境内で実験を行ったところ、荷重時に発生した疲労亀裂が成長してから後退していることに気づきました。

研究チームはまた、治癒した亀裂が再び開いていないことも観察した。 むしろ、周期的な荷重が続くと、後続の亀裂はそれぞれ独自の経路をたどりました。 素材自体が「癒し」であるかのように見えました。 「それは私にとって本当に衝撃的でした」とボイスは言う。 研究チームはまた、銅の自己修復挙動を調査し、銅の亀裂も溶接して元に戻る可能性があるという証拠を発見しました。

ボイス氏は、研究チームの観察は、材料中の原子の位置が治癒過程で再構成され、最も弱い経路の軌道の変化につながったことを示唆していると述べ、この挙動を完全に説明するにはさらなる研究が必要であると付け加えた。 ボイス氏は、亀裂、治癒、再構成によってプラチナシートの機械的特性が変化したかどうかはまだ推測できないが、観察結果は、治癒によって閉じた亀裂の周囲の局所領域が何らかの形で疲労耐性を高めたことを示唆していると述べた。

自己修復金属というアイデアからは、構造物に生じた亀裂を修復して壊滅的な崩壊を回避できる橋や、衝突事故から無傷で出てくる車などの刺激的なアイデアが思い浮かぶかもしれないが、再溶接プロセスは大気環境下ではまだ観察されていない。 。 オーストリア科学アカデミーの元物理学者であるラインハルト・ピッパン氏は、空気にさらされると亀裂の境界が酸化する可能性があると示唆している。 理論によれば、この酸化により自己修復が妨げられるはずです。 しかし、金属の内部に亀裂が生じた場合にも、同じ現象が観察される可能性があります。

ボイス氏と彼のチームは、空気中での実験に使用できる別の電子顕微鏡を持っていると述べています。 彼らは、このツールを使用して、酸素を含む環境での自己修復プロセスを研究する予定です。 海洋構造物やその他のインフラストラクチャーの開発など、現実世界のアプリケーションに関連するシステムでこの現象がどのように起こるかを確認するには、より大きな金属ブロックでの実験も必要です。 ボイス氏によると、疲労に対する耐性がより高い金属に興味を持っている業界は数多くあるという。 しかし、「この現象を商業化して最大限に活用するには、まだ多くの調査が必要だ」と彼は付け加えた。

- アリソン・ガスパリーニ

アリソン・ガスパリーニは、カリフォルニア州サンタクルーズを拠点とするフリーランスのサイエンスライターです。

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