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金属特性实验中意外发现金属自我修复机制

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自然界中的生物体和具有记忆功能的有机材料等,在遭受损伤时具有自我康复的功能。麻省理工学院的研究人员在一项金属特性实验中意外发现受损的金属也具有自我修复的功能。

  金属合金分子结构电脑模拟显示,微晶粒之间的边界会在压力下出现裂痕。大多数金属都是由细微的晶粒构成,这些晶粒的大小和方向能够影响金属的强度和特性。但在某些条件下,压力可以让这种晶粒的微观结构发生改变:使晶界(晶粒边界)发生移动,而晶界移动则是修复“创伤”的关键。

  近几十年来,科研人员对固体金属中晶界的移动一直开展着研究,但发现只有某些晶界才发生导致自我修复的现象,即只有部分晶界延伸到一个晶粒,但不是所有部分。这造成了一种被称之为“向错”的缺陷。实际上早在一个世纪前“向错”就已经被观察到,但当时认为这只是一种奇特现象。当麻省理工学院(MIT)材料科学和工程教授迈克尔·戴姆克维兹和研究生徐国强在实验中意外发现,金属中晶界在受外力作用产生裂痕后可以开展全面的修复行为,而且这种自我修复功能其实是向错缺陷带来的结果。

  为重现这一现象,他们为之建立了计算机模型,通过模型演示能清楚地观察到金属材料在遭受外力创伤时,晶界发生移动从而完成自我修复的过程。戴姆克维兹教授认为,金属内部原则上都存在一个缩小外力造成裂痕的机制。

  向错有强烈的应力场,“实际上它们完全可以减弱外加负载产生的影响。”戴姆克维兹教授说,“当破裂的材料两边被撕开时,这种机制阻止裂痕不再进一步扩大,并且使之产生愈合。”

  发现这个机制后,MIT的研究人员计划进一步研究如何设计出相应的金属合金,以便在特殊应用条件下产生自我修复的功能。戴姆克维兹教授指出,合金微观结构控制技术已经存在,现在只需要计算出如何获得理想的结果。“我们为之打开了通途,如何设计出可以自我复原的金属材料不会太久。”

  详细研究成果发表于近期出版的《物理评论通讯》上。

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