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Forschung Metalle heilen sich selbst

Quelle: Pressemitteilung von Sandia 2 min Lesedauer

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Risse in Metall galten bisher als endgültig – doch Forscher haben nun eine verblüffende Entdeckung gemacht: Erstmals konnten sie beobachten, wie Mikrorisse in Platin und anderen Metallen von selbst geheilt wurden.

Experimentell bewiesen: Mikroskopische Risse verschwinden von alleine wieder. (Bild: Dan Thompson - Sandia Labs)
Experimentell bewiesen: Mikroskopische Risse verschwinden von alleine wieder.
(Bild: Dan Thompson - Sandia Labs)

Ein Forscherteam der Sandia National Laboratories und der Texas A&M University haben zum ersten Mal beobachtet, wie Metallstücke ohne menschliches Zutun brechen und wieder zusammenschmelzen. Wenn das neu entdeckte Phänomen nutzbar gemacht werden kann, könnte es eine technische Revolution einleiten – in ihrer Vision könnten selbstheilende Motoren, Brücken und Flugzeuge verschleißbedingte Schäden rückgängig machen und dadurch sicherer und langlebiger werden.

Mikrorisse in Metall

Metalle, die längere Zeit einer wiederkehrenden oder auch andauernden Belastung ausgesetzt sind, entwickeln Mikrorisse. Diese winzigen Risse im Material breiten sich zunächst unbemerkt aus, bis sie schließlich zu Materialermüdung und letztlich zum Bruch des Bauteils führen. „Von den Lötstellen in unseren elektronischen Geräten über die Motoren unserer Fahrzeuge bis hin zu den Brücken, über die wir fahren, versagen diese Strukturen oft auf unvorhersehbare Weise aufgrund zyklischer Belastungen, die zur Entstehung von Rissen und schließlich zum Bruch führen“, so Brad Boyce, Materialwissenschaftler bei Sandia. „Wenn sie versagen, müssen wir mit Ersatzkosten, Zeitverlust und in einigen Fällen sogar mit Verletzungen oder dem Verlust von Menschenleben rechnen. Die wirtschaftlichen Auswirkungen dieser Ausfälle belaufen sich in den USA jedes Jahr auf Hunderte von Milliarden Dollar“.

Grün markiert ist die Stelle, an der sich ein Riss gebildet hat, der in nanoskaligen Selbstheilung in Metall wieder zusammengeschmolzen ist. Rote Pfeile zeigen die Richtung der Zugkraft an, die das Phänomen unerwartet auslöste.(Bild: Dan Thompson - Sandia Labs)
Grün markiert ist die Stelle, an der sich ein Riss gebildet hat, der in nanoskaligen Selbstheilung in Metall wieder zusammengeschmolzen ist. Rote Pfeile zeigen die Richtung der Zugkraft an, die das Phänomen unerwartet auslöste.
(Bild: Dan Thompson - Sandia Labs)

Obwohl Wissenschaftler bereits einige selbstheilende Materialien entwickelt haben, vor allem Kunststoffe, ist die Vorstellung eines selbstheilenden Metalls weitgehend Science-Fiction geblieben. „Man ging immer davon aus, dass Risse in Metallen nur größer, aber nicht kleiner werden würden. Selbst einige der grundlegenden Gleichungen, die wir zur Beschreibung des Risswachstums verwenden, schließen die Möglichkeit solcher Heilungsprozesse aus“, so Boyce.

Zufällige Entdeckung

Der Riss, den Boyce und sein Team verschwinden sahen, war einer dieser winzigen, aber folgenschweren Brüche – gemessen in Nanometern. „Wir haben sicherlich nicht danach gesucht“, sagte Boyce. Das Team wollte lediglich untersuchen, wie sich Risse in einem nanoskaligen Stück Platin bilden und ausbreiten, indem sie 200 Mal pro Sekunde an den Enden des Metalls zogen.

Überraschenderweise kehrte der Schaden nach etwa 40 Minuten des Experiments seinen Lauf um. Ein Ende des Risses schmolz wieder zusammen, als ob er seine Schritte zurückverfolgen würde, und hinterließ keine Spur der früheren Verletzung. Mit der Zeit wuchs der Riss in einer anderen Richtung wieder zusammen. „Wir haben bestätigt, dass Metalle ihre eigene, natürliche Fähigkeit haben, sich selbst zu heilen, zumindest im Falle von Ermüdungsschäden im Nanobereich“, so Boyce.

Über Sandia National Laboratories

Sandia National Laboratories ist ein Multimissionslabor, das von National Technology and Engineering Solutions of Sandia LLC, einer hundertprozentigen Tochtergesellschaft von Honeywell International Inc. für die National Nuclear Security Administration des US-Energieministeriums betrieben wird. Die Sandia Labs sind für Forschung und Entwicklung in den Bereichen nukleare Abschreckung, globale Sicherheit, Verteidigung, Energietechnologien und wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit zuständig und haben ihre Hauptstandorte in Albuquerque, New Mexico, und Livermore, Kalifornien.

Mehr dazu bei Sandia.

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