在桑迪亚国家实验室发现的这幅纳米级金属自愈艺术渲染图中，绿色标志着裂缝形成的地方，然后融合在一起。红色箭头表示意外触发该现象的拉力方向。来源:丹·汤普森，桑迪亚国家实验室

迈克尔·德姆科维奇博士预言了我的自我修复能力塔尔;今年夏天，它终于被观测到，震惊了全世界的科学家。

当一块非常小的铂片被反复拉伸时，就会出现微小的裂纹。这项旨在研究疲劳裂纹扩展的实验如预期的那样持续了一段时间。但是，意想不到的事情发生了。裂缝不再扩大，反而开始变短，有效地“愈合”了自己。

这一令人难以置信的观察结果是由桑迪亚国家实验室的一组研究人员在对纳米晶体金属进行断裂实验时得出的。研究结果最近发表在《自然》杂志上。

在这一发现之前，我们有理由认为，自我修复的金属只能在科幻小说中找到。德克萨斯农工大学材料科学与工程系教授、最近这项研究的合著者迈克尔·德姆科维奇博士没有这样的假设。

十年前，当Demkowicz还是麻省理工学院材料科学与工程系的助理教授时，他和他的学生预言了金属的自我修复能力。

“我们并没有开始寻找治愈。我的学生徐国祥(Guoxiang Xu)正在做骨折的模拟。“我们在他的一次模拟中意外地观察到自发愈合，并决定进行后续研究。”

然后，就像现在一样，2013年的结果令人惊讶。Demkowicz补充说，他、他的学生和他的同事都对最初的理论有些怀疑。然而，他的模拟模型在随后的几年里被其他研究人员复制和扩展。

Demkowicz说:“很明显，这些模拟并没有错，因为其他人在他们的建模工作中也看到了同样的效果。”“然而，直到现在，实验都是遥不可及的。”

2013年的模型和最近的实验都使用了纳米晶体金属，这种金属具有纳米级(百万分之一毫米)的晶体结构或晶粒尺寸。Demkowicz说，虽然在工程应用中没有广泛使用，但大多数金属都可以以这种形式制造。

他进一步解释说，纳米晶金属使研究自我修复变得更容易，因为它们的小晶粒尺寸允许更多的微观结构特征，即使是小裂缝也可以相互作用。

两项研究都发现，晶界这一特征可以影响裂纹的愈合，这取决于晶界相对于裂纹的迁移方向。Demkowicz补充说，这些特征在许多金属和合金中很常见，并且可以被操纵。

Demkowicz说:“目前工作的主要影响是将最初的理论预测从绘图板上移开，并表明它在现实中发生了。”“我们还没有真正开始优化微结构以实现自我修复。找出促进自我修复的最佳改变对未来的工作来说是一项具有挑战性的任务。”

这项工作的潜在应用可能会有很大的不同。Demkowicz认为，在晶粒尺寸较大的传统金属中，自我修复是可能的，但还需要进一步的研究。

2013年的理论和最近的实验都有一个共同的条件，那就是它们都是在真空环境中进行的，没有外来物质。这些外部物质可能会干扰裂纹表面粘合或冷焊的能力。即使有这种限制，航天技术或不暴露于外部空气的内部裂缝的应用仍然是可能的。

经过十年的酝酿，Demkowicz的理论在桑迪亚国家实验室的实验中得到了回报。对于目前的研究，Demkowicz能够验证最近观察到的现象与他最初的模拟模型相匹配。

“这是一个了不起的实验。然而，我认为这也是理论的伟大胜利。”“材料的复杂性往往使人们难以自信地预测新现象。这一发现给了我希望，我们的材料行为理论模型走在了正确的轨道上。”

有关这项研究的更多信息，请参见科学家发现可以自愈的金属。

参考文献:“通过冷焊自动修复疲劳裂纹”，作者:Christopher M. Barr、Ta Duong、Daniel C. buffford、Zachary Milne、Abhilash Molkeri、Nathan M. Heckman、David P. Adams、Ankit Srivastava、Khalid Hattar、Michael J. Demkowicz和Brad L. Boyce, 2023年7月19日，Nature。DOI: 10.1038 / s41586 - 023 - 06223 - 0