금속의 미세한 균열은 자연적으로 치유될 수 있습니다

금속의 미세한 균열은 스스로 치유될 수 있으며, 자가 수리 기계가 언젠가는 그들이 겪은 손상을 되돌릴 수 있음을 시사한다는 새로운 연구 결과가 밝혀졌습니다.

기계의 금속 부품이 반복적으로 응력에 노출되면 부품이 파손될 때까지 시간이 지남에 따라 미세한 균열이 형성되고 확산됩니다. 이러한 피로는 종종 재앙적이고 예측할 수 없는 방식으로 금속 구조의 모든 파손의 최대 90%를 차지합니다.

이전 연구에서는 잠재 치유 성분을 활성화하기 위해 열을 가한 후 스스로 복구할 수 있는 금속을 조사했습니다. 이제 과학자들은 금속의 미세한 균열이 저절로 완전히 사라질 수 있음을 발견했습니다.

"이 발견은 결국 금속의 피로 균열을 완화하는 새로운 전략으로 이어질 수 있습니다"라고 뉴멕시코주 앨버커키에 있는 샌디아 국립 연구소 통합 나노기술 센터의 재료 과학자인 공동 수석 저자인 Brad Boyce는 말했습니다.

새로운 연구에서 Sandia의 연구원들은 원래 진공 상태에서 유지되는 40nm 두께의 백금 호일 조각에 균열이 어떻게 형성되고 퍼지는지 분석하고 있었습니다. 전자현미경에 들어갈 수 있는 Sandia의 요청으로 개발된 새로운 장비를 사용하여 연구원들은 호일에 압력을 가하기 위해 초당 200회 반복적으로 금속 가장자리를 잡아당겼습니다.

놀랍게도 실험이 시작된 지 약 40분 만에 피해 경로가 바뀌었습니다. 균열의 한쪽 끝은 18nm 길이를 따라 다시 융합되어 흔적을 남기지 않습니다. 시간이 지남에 따라 실험이 계속되면서 균열은 다른 방향을 따라 다시 열렸습니다.

이러한 자가 치유의 비결은 냉간 용접으로 알려진 현상입니다. 금속은 금속 결합으로 서로 결합되어 있으며, 각 원자의 가장 바깥쪽 전자는 재료의 전체 구조 주위를 자유롭게 이동할 수 있습니다. 이는 두 개의 평평하고 깨끗한 금속 조각이 접촉하면 서로 융합될 수 있음을 의미합니다. 금속 결합의 특성은 각 금속 조각의 원자와 자유 전자에 대해 두 조각 사이에 구별이 없으며 마치 하나의 결합된 조각인 것처럼 동작한다는 것을 의미합니다.

냉간 용접은 금속이 산화층 및 기타 오염 물질로 코팅되어 발생을 방지하는 경우가 많기 때문에 일상 생활에서는 일반적으로 볼 수 없습니다. 그러나 이는 우주에서 문제를 일으킬 수 있습니다. 예를 들어 NASA의 목성 갈릴레오 탐사선에 있는 고이득 안테나는 냉간 용접으로 인해 부품이 서로 융합되었기 때문에 1991년에 완전히 열리지 못했습니다.

과학자들은 금속을 서로 압착할 때 냉간 용접이 발생할 수 있다는 것을 알고 있습니다. 그러나 2013년 MIT의 재료 과학자인 Michael Demkowicz와 대학원생인 Guoqiang Xu의 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 냉간 용접이 압축 없이도 미세한 균열을 치료할 수 있음을 시사했습니다. 새로운 발견은 이전 연구를 뒷받침합니다.

현재 칼리지 스테이션 소재 텍사스 A&M 대학교에 재직 중인 Demkowicz는 “이러한 직관에 반하는 예측이 실험적 검증을 얻는 것을 보고 매우 기뻤습니다.”라고 말했습니다.

Boyce는 “이것은 큰 균열이 아니었고 완전히 저절로 치유되지도 않았습니다. 균열 끝 부분에서만 저절로 치유되는 미세한 균열이었습니다.”

그럼에도 불구하고, 미세한 균열조차도 자가 치유하는 금속의 능력은 응용될 수 있습니다. 새로운 연구의 공동 저자인 Demkowicz는 "모든 손상은 나노 규모에서 시작됩니다."라고 말했습니다. "아직 작은 균열을 치료할 수 있다면 손상을 초기에 제거할 수 있습니다."

과학자들은 이제 이러한 자가 치유가 진공 대신 공기와 강철과 같은 합금에서 일어날 수 있는지 확인하고 싶어한다고 Boyce는 말합니다. 궁극적으로 그들은 의도적으로 이 효과를 활용할 수 있는 재료를 디자인하고 싶어한다고 그는 덧붙였습니다.

연구자들은 7월 19일 Nature 저널에 자신들의 연구 결과를 자세히 설명했습니다.