Bilim adamları ilk kez, metalin mikroskobik çatlaklarını kendiliğinden iyileştirdiğini gözlemlediler; bu, geleneksel malzeme teorileriyle çelişen ve mühendislik ile malzeme biliminde yeni bir çığır açan bir olgudur. (Sanatçının konsepti.)
Mikroskobik çatlaklar, deneylerde kaybolarak makinelerin kendi kendini iyileştirme olasılığını ortaya koyuyor.
Çığır açan bir keşifle, bilim adamları ilk kez metalin mikroskobik çatlaklarını kendiliğinden iyileştirdiğini gözlemleyerek geleneksel malzeme teorilerini alt üst ettiler. Bu gözlem, kendi kendini iyileştiren makinelere yol açarak güvenliklerini ve ömürlerini önemli ölçüde artırabilir. 2013’te önerilen bir teoriyi doğrulayan fenomen, bir mühendislik devriminin yolunu açabilir, ancak pratik uygulanabilirliğini tam olarak anlamak için daha fazla araştırma yapılması gerekiyor.
Kendi Kendini İyileştiren Metal Fenomeninin Keşfi
Bilim adamları ilk kez, metal parçalarının kendiliğinden çatladığını ve sonra tekrar birleştiğini gözlemlediler. Bu çığır açan gözlem, uzun süredir kabul gören bilimsel teorilerle çelişiyor ve bir mühendislik devriminin önünü açabilir. Yeni keşfedilen fenomenden yararlanılabilirse, potansiyel uygulamalar geniş kapsamlıdır ve aşınma ve yıpranmanın neden olduğu hasarı otonom olarak onararak güvenliklerini ve ömürlerini artıran kendi kendini onaran motorları, köprüleri ve uçakları içerir.
Keşif, Sandia Ulusal Laboratuvarları ve Texas A&M Üniversitesi’nden bir araştırma ekibi tarafından yapıldı. Bulguları 19 Temmuz’da Nature dergisinde açıklandı.
Sandia Ulusal Laboratuvarlarında keşfedilen, metalde nano ölçekli kendi kendini iyileştirmenin bu sanatsal sunumunda yeşil, bir çatlağın oluştuğu ve ardından tekrar birleştiği noktayı işaret ediyor. Kırmızı oklar, fenomeni beklenmedik bir şekilde tetikleyen çekme kuvvetinin yönünü gösterir. Kredi: Dan Thompson, Sandia National Laboratories
“Bunu ilk elden izlemek kesinlikle büyüleyiciydi,” dedi Sandia malzeme bilimcisi Brad Boyce.
Boyce, “Metallerin, en azından nano ölçekte yorulma hasarı söz konusu olduğunda, kendi içlerinde, doğal olarak kendilerini iyileştirme yetenekleri olduğunu doğruladık,” dedi.
Yorgunluk Hasarının Etkileri
Yorgunluk hasarı, makine arızalarının yaygın bir nedenidir. Bu hasar, tekrarlanan baskı veya hareket nedeniyle oluşan mikroskobik çatlaklar olarak kendini gösterir. Zamanla, bu çatlaklar genişler ve sonunda cihaz kırılana veya bilimsel terimlerle arızalanana kadar yayılır.
Boyce ve ekibinin ortadan kalktığını gördüğü çatlak, nanometre cinsinden ölçülen bu küçük ama sonuç niteliğindeki kırılmalardan biriydi.
“Elektronik cihazlarımızdaki lehim bağlantılarından aracımızın motorlarına ve üzerinden geçtiğimiz köprülere kadar, bu yapılar genellikle çatlağın başlamasına ve nihai kırılmaya yol açan döngüsel yükleme nedeniyle genellikle tahmin edilemeyecek şekilde başarısız olur,” dedi. “Başarısız olduklarında, değiştirme maliyetleri, zaman kaybı ve hatta bazı durumlarda yaralanmalar veya can kaybıyla uğraşmak zorunda kalıyoruz. ABD’de bu arızaların ekonomik etkisi her yıl yüz milyarlarca dolar olarak ölçülüyor.”
Sandia Ulusal Laboratuvarları araştırmacısı Ryan Schoell, nano ölçekte yorulma çatlaklarını incelemek için Khalid Hattar, Dan Bufford ve Chris Barr tarafından geliştirilen özel bir transmisyon elektron mikroskobu tekniği kullanıyor. Kredi: Craig Fritz, Sandia National Laboratories
Malzeme Teorisinin Revize Edilmesi
Bilim adamları tarafından başta plastikler olmak üzere bazı kendi kendini onaran malzemeler geliştirilmiş olsa da, kendi kendini onaran metal kavramı büyük ölçüde bilim kurgu alanında kalmıştır.
“Metallerdeki çatlakların küçülmesi değil, yalnızca büyümesi bekleniyordu. Çatlak büyümesini tanımlamak için kullandığımız bazı temel denklemler bile bu tür iyileştirme süreçlerinin olasılığını ortadan kaldırıyor.” dedi.
Ancak, uzun süredir devam eden bu görüş, 2013 yılında Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nün malzeme bilimi ve mühendisliği bölümünde yardımcı doçent ve şu anda Texas A&M’de tam profesör olan Michael Demkowicz tarafından sorgulanmaya başlandı. Demkowicz, bilgisayar simülasyonlarına dayalı, belirli koşullar altında metallerin aşınma ve yıpranmanın neden olduğu kapalı çatlakları kaynaklayabilmesi gerektiğine dair yeni bir teori yayınladı.
Beklenmeyen Keşif ve Doğrulaması
Demkowicz’in teorisinin doğrulanması, Sandia ve Los Alamos ulusal laboratuvarları tarafından ortaklaşa işletilen bir Enerji Bakanlığı kullanıcı tesisi olan Entegre Nanoteknolojiler Merkezi’nde yanlışlıkla geldi.
“Kesinlikle bakmıyorduk. bunun için,” dedi Boyce.
Şu anda Tennessee Üniversitesi, Knoxville’de doçent olan Khalid Hattar ve şu anda Enerji Bakanlığı’nın Nükleer Enerji Ofisi’nde çalışan Chris Barr, keşif yapıldığında Sandia’da deneyi yürütüyorlardı. Yalnızca, metalin uçlarını saniyede 200 kez tekrar tekrar çekmek için geliştirdikleri özel bir elektron mikroskobu tekniğini kullanarak nano ölçekli bir platin parçasında çatlakların nasıl oluştuğunu ve yayıldığını değerlendirmeyi amaçladılar.
Şaşırtıcı bir şekilde, deneyin yaklaşık 40. dakikasında, hasar rotasını tersine çevirdi. Çatlağın bir ucu, sanki adımlarını takip ediyormuş gibi, önceki yaralanmadan hiçbir iz bırakmadan tekrar kaynaştı. Zamanla çatlak farklı bir yöne doğru yeniden büyüdü.
Hattar buna “benzeri görülmemiş bir içgörü” dedi.
Teoriden haberdar olan Boyce, bulgularını Demkowicz ile paylaştı.
“Tabii ki bunu duyduğuma çok sevindim,” dedi Demkowicz. Profesör daha sonra deneyi bir bilgisayar modelinde yeniden yaratarak Sandia’da tanık olunan olgunun yıllar önce teorileştirdiği fenomenle aynı olduğunu doğruladı.
Çalışmaları, Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi, Temel Enerji Bilimleri tarafından desteklendi; Ulusal Nükleer Güvenlik İdaresi ve Ulusal Bilim Vakfı.
Gelecek Araştırmaları ve Bilinmeyenler
Kendi kendini iyileştirme süreci hakkında, bunun bir üretim ortamında pratik bir araç haline gelip gelmeyeceği de dahil olmak üzere, hâlâ bilinmeyen çok şey var.
Boyce, “Bu bulguların ne ölçüde genelleştirilebilir olduğu, muhtemelen kapsamlı bir araştırmanın konusu haline gelecek” dedi. “Bunun vakumda nanokristal metallerde olduğunu gösteriyoruz. Ancak bunun havadaki geleneksel metallerde de indüklenip indüklenemeyeceğini bilmiyoruz.”
Yine de tüm bilinmeyenlere rağmen, keşif malzeme biliminin sınırında bir sıçrama olmaya devam ediyor.
“Bu bulgunun malzeme araştırmacılarını, doğru koşullar altında malzemelerin hiç beklemediğimiz şeyleri yapabileceğini düşünmeye teşvik edeceğini umuyorum,” dedi Demkowicz.
Referans: “Yorgunluk çatlaklarının soğuk kaynak yoluyla otonom iyileşmesi”, Christopher M. Barr, Ta Duong , Daniel C. Bufford, Zachary Milne, Abhilash Molkeri, Nathan M. Heckman, David P. Adams, Ankit Srivastava, Khalid Hattar, Michael J. Demkowicz ve Brad L. Boyce, 19 Temmuz 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06223-0