Voor 6, 000 jaar, mensen hebben dingen van metaal gemaakt omdat het sterk en taai is; er is veel energie nodig om het te beschadigen. De keerzijde van deze eigenschap is dat er veel energie nodig is om die schade te herstellen. Typisch, het reparatieproces omvat het smelten van het metaal met lastoortsen die 6 kunnen bereiken, 300 ° F.

Nutsvoorzieningen, Voor de eerste keer, Penn Engineers hebben een manier ontwikkeld om metaal bij kamertemperatuur te repareren. Ze noemen hun techniek 'genezing' vanwege de gelijkenis met de manier waarop botten genezen, het werven van grondstoffen en energie uit een externe bron.

Het onderzoek werd uitgevoerd door James Pikul, universitair docent bij de afdeling Werktuigbouwkunde en Toegepaste Mechanica en Zakaria Hsain, een afgestudeerde student in zijn lab.

Het werd gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen .

Afgezien van de energiekosten die gepaard gaan met het huidige proces om metaal te repareren door het te smelten tot een meer buigzame vorm, er zijn enkele metalen onderdelen waar een dergelijke reparatiestrategie niet eens een optie is. Bijvoorbeeld, smelten verwijdert de ingewikkelde interne structuur van metaalschuim, dat zijn metalen gemaakt met interne luchtzakken. Deze opstelling van stutten en openingen vermindert het gewicht van het materiaal terwijl de algehele sterkte behouden blijft.

Tijdens het verkennen van manieren om dergelijke poreuze metalen te repareren, Pikul en Hsain keken naar bestaande "zelfherstellende" materialen, die over het algemeen zijn gemaakt van relatief zachte polymeren en kunststoffen.

"De manier waarop mensen tegenwoordig aan zelfgenezing doen, is dat ze deze polymeren impregneren met verschillende chemicaliën die, wanneer dat polymeer wordt gescheurd, komen vrij en vermengen zich als een epoxy, het materiaal weer aan elkaar lijmen, " zegt Pikul. "Die aanpak werkt voor polymeren omdat polymeren kunnen vloeien en relatief gemakkelijk te hervormen zijn bij kamertemperatuur, maar dat betekent dat ze daardoor een beperkte kracht hebben."

Om metaalschuim te genezen, die over het algemeen betere structurele eigenschappen hebben dan polymeren, Pikul en Hsain begonnen met het vinden van een manier voor hen om te "voelen" waar ze beschadigd waren. In plaats van extra chemicaliën die bij reparatie worden gebruikt in te kapselen, de onderzoekers realiseerden zich dat ze het breken van een polymeerlaag konden gebruiken als een soort chemisch signaal.

Pikul en Hsain gebruikten chemische dampafzetting om elke stut van het nikkelschuim gelijkmatig te coaten met een laag Parylene D, een chemisch inert en rekbaar polymeer. Omdat de schadetolerantie van dit materiaal iets lager is dan die van nikkel, het breekt eerst als het monster is beschadigd, waardoor het metaal eronder zichtbaar wordt. De onderzoekers konden vervolgens galvaniseren om nieuwe nikkelsteunen te bouwen, alleen op het blootgestelde nikkel waar ze nodig waren.

Galvaniseren is een relatief energiezuinige, kamertemperatuur techniek, meestal gebruikt om een ​​laagje chroom toe te voegen aan auto-onderdelen of goud aan sieraden. In het vorige voorbeeld een stalen bandvelg wordt in een vloeibaar elektrolytbad geplaatst dat chroomionen bevat. Wanneer er een spanning wordt aangelegd, ionen in de buurt van het staal reageren en vormen een uniforme chroommetaalcoating op het staal.

"In tegenstelling tot polymeren, metalen vloeien niet bij kamertemperatuur, ', zegt Pikul. 'Het mooie van elektrochemie is dat metaalionen zich gemakkelijk door de vloeibare elektrolyt kunnen verplaatsen. Vervolgens gebruiken we elektrochemie om de ionen om te zetten in vast metaal. Het polymeer werkt als een lithografiemasker en laat alleen de ionen in metaal veranderen waar het metaalschuim was gebroken."

Pikul en Hsain herstelden drie soorten schade in hun experimenten op centimeterschaalmonsters van hun met polymeer gecoate nikkelschuim:monsters met scheuren, monsters die uit elkaar waren getrokken totdat ze waren verbonden door slechts een paar stutten, en monsters die in tweeën waren gespleten.

Het herstel van de schade duurde ongeveer vier uur, en omdat galvaniseren in één keer op al het blootgestelde nikkel inwerkt, de tijd die nodig is om schade te genezen is onafhankelijk van de grootte van het monster.

Hoewel deze benadering bij kamertemperatuur niet echt "zelfgenezend" is omdat er een externe stroombron en grondstoffen voor nodig zijn, Pikul ziet dat het aansluit bij hoe zelfgenezing in het lichaam plaatsvindt.

"Ik denk dat de meeste mensen zouden zeggen dat bot een zelfherstellend materiaal is, "Pikul zegt, "en ik denk, in praktijk, ons materiaal lijkt erg op bot. Bot is ook niet volledig op zichzelf staand; het heeft een energiebron en voedingsstoffen nodig om te genezen, die beide afkomstig zijn van het eten van voedsel. In ons systeem, deze werken op dezelfde manier als het spannings- en galvaniseerbad."

Ook als bot, de gerepareerde gebieden zijn eigenlijk sterker dan ze waren voordat ze werden beschadigd, omdat er extra nikkel wordt gekweekt op de genezingsplaats. Het nieuwe nikkel, echter, vermindert de genezingsefficiëntie bij herhaaldelijk gebruik van deze techniek. Omdat de genezen gebieden geen polymeercoating meer hebben, nikkel zou zich daar blijven ophopen als een ander stuk van het monster moet worden genezen.

Pikul hoopt dat verder onderzoek naar deze techniek de overeenkomsten met biologische genezing zal vergroten.

"De elektrolytvloeistof die de genezing mogelijk maakt, kan in de metalen schuimen worden geïntegreerd, zodat het lijkt op bloed in ons lichaam, " zegt Pikul. "Als het schuim eenmaal gebroken is, de elektrolyt zal het gebroken gebied omringen en het metaal genezen na het aanbrengen van een externe spanning, die van een batterij kan zijn."

Het schuim kan worden genezen zonder het beschadigde onderdeel te hoeven verwijderen en onder te dompelen - vooral handig als het onderdeel in kwestie een autodeur is, robotarm, of ruimtestationcomponent.