September 23, 2023

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Ein selbstheilendes Mineral? Es ist nicht nur der Stoff, aus dem Science-Fiction besteht

Geschätzte Lesezeit: 3-4 Minuten

WASHINGTON – Im Film „Terminator 2: Judgement Day“ aus dem Jahr 1991 weist ein bösartiger zeitreisender, formverändernder Roboter namens T-1000 aus flüssigem Metall eine einzigartige Qualität auf. Wenn sie von Explosionen oder Kugeln getroffen wird, heilt sich ihr Metall von selbst.

Ein selbstheilendes Mineral ist immer noch nur Science-Fiction, oder? Scheinbar nicht.

Wissenschaftler haben am Mittwoch beschrieben, wie Stücke aus reinem Platin und Kupfer Spannungsrisse in Metall spontan heilen. Dies geschah im Rahmen nanoskaliger Experimente, mit denen untersucht werden sollte, wie sich diese Risse in Metall unter Spannung bilden und ausbreiten. Sie zeigten sich optimistisch, dass diese Fähigkeit in relativ naher Zukunft in Mineralien eingebaut werden könnte, um selbstheilende Maschinen und Strukturen zu schaffen.

Metallspannung entsteht, wenn Metall – einschließlich Teile in Maschinen, Fahrzeugen und Strukturen – mikroskopisch kleine Risse aufweist, nachdem es wiederholter Belastung oder Bewegung ausgesetzt wurde, wobei sich der Schaden mit der Zeit tendenziell verschlimmert. Metallermüdung kann zu katastrophalen Ausfällen in Bereichen wie der Luftfahrt (z. B. Triebwerken) und der Infrastruktur (Brücken und anderen Bauwerken) führen.

In Experimenten, die in den Sandia National Laboratories der US-Regierung in New Mexico durchgeführt wurden, verwendeten die Forscher eine Technik, bei der die Spitzen kleiner Metallstücke etwa 200 Mal pro Sekunde verschraubt wurden. Der Riss bildete sich und breitete sich zunächst aus. Doch etwa 40 Minuten nach Beginn des Experiments verschmolz das Metall wieder.

Die Forscher nannten diese Heilung „Kaltschweißen“.

„Kaltschweißen ist ein metallurgischer Prozess, der bekanntermaßen auftritt, wenn zwei relativ glatte, saubere Oberflächen eines Metalls zusammengebracht werden, um Atombindungen zu fixieren“, sagte Brad Boyce, ein Materialwissenschaftler der Sandia National Laboratories, der an der Leitung der in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Studie beteiligt war.

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Boyce fügte hinzu: „Im Gegensatz zu den selbstheilenden Robotern in ‚Terminator‘ ist dieser Prozess auf menschlicher Ebene nicht sichtbar. Er findet im Nanomaßstab statt und wir müssen diesen Prozess noch kontrollieren.“

Die Metallstücke waren 40 Nanometer dick und einige Mikrometer breit. Während in Experimenten Heilung nur bei Platin und Kupfer beobachtet wurde, sagte Boyce, die Simulation zeige, dass Selbstheilung auch bei anderen Metallen stattfinden könne und dass es „durchaus plausibel“ sei, dass Legierungen wie Stahl diese Eigenschaft aufwiesen.

„Man kann sich Materialien vorstellen, die dieses Verhalten ausnutzen“, sagte Boyce.

In dieser künstlerischen Darstellung der nanoskaligen Selbstheilung des Minerals, das in den Sandia National Laboratories der US-Regierung auf diesem undatierten Bild entdeckt wurde, zeigt Grün die Stelle an, an der sich der Spalt bildete und dann wieder zusammenschmolz.  Die roten Pfeile zeigen die Richtung der Widerstandskraft an, die dieses Phänomen unerwartet ausgelöst hat.
In dieser künstlerischen Darstellung der nanoskaligen Selbstheilung des Minerals, das in den Sandia National Laboratories der US-Regierung auf diesem undatierten Bild entdeckt wurde, zeigt Grün die Stelle an, an der sich der Spalt bildete und dann wieder zusammenschmolz. Die roten Pfeile zeigen die Richtung der Widerstandskraft an, die dieses Phänomen unerwartet ausgelöst hat. (Foto: Dan Thompson, Sandia National Laboratories über Reuters)

Boyce fügte hinzu: „Angesichts dieses neuen Wissens können alternative Materialdesignstrategien oder technische Ansätze eingeführt werden, um Ermüdungsausfälle zu mindern. Darüber hinaus kann dieses neue Verständnis Aufschluss über Ermüdungsausfälle in bestehenden Strukturen geben – und so unsere Fähigkeit verbessern, solche Ausfälle zu erklären und vorherzusagen.“

Wissenschaftler haben in der Vergangenheit einige selbstheilende Materialien entwickelt, die meisten davon aus Kunststoff. Der Co-Autor der Studie, Michael Dimkovic, Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der Texas A&M University, sagte vor einem Jahrzehnt die Selbstheilung von Metallen voraus.

Dimkovic hat zu Recht herausgefunden, dass die Belastung von Metall unter bestimmten Bedingungen, die normalerweise zu ermüdungsbedingten Rissen führen würde, den gegenteiligen Effekt haben kann.

„Ich glaube jetzt, dass die Entwicklung konkreter Anwendungen unserer Erkenntnisse noch weitere zehn Jahre dauern wird“, sagte Dimkovic.

„Als ich zum ersten Mal meine Vorhersagen machte, sagten einige Zeitungen, ich arbeite an einem T-1000“, sagte Dimkovic. „Es ist immer noch Science-Fiction.“ „Am Ende[der TV-Serie]‚Battlestar Galactica‘ adaptiert die Crew jedoch einige zylonische Technologien (eine fiktive Roboterrasse), um den Ermüdungsschaden ihres Schiffs zu heilen, wodurch das Metall wie organisches Gewebe wirkt, das seine eigenen Wunden heilen kann. Ich würde sagen, woran wir arbeiten, entspricht eher dem Beispiel von ‚Battlestar Galactica‘.“

Die Selbstheilung wird in einer ganz bestimmten Umgebung mit einem Gerät namens Elektronenmikroskop beobachtet.

„Eine der großen Fragen, die in der Studie offen geblieben sind, ist, ob der Prozess auch in der Luft und nicht nur in der mikroskopischen Vakuumumgebung abläuft. Aber selbst wenn er nur im Vakuum abläuft, hat er dennoch wichtige Auswirkungen auf die Ermüdung in Raumfahrzeugen oder auf die Ermüdung im Zusammenhang mit Rissen unter der Oberfläche, die nicht der Atmosphäre ausgesetzt sind“, sagte Boyce.

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