Mikroskopische Risse im Metall können spontan heilen

Mikroskopische Risse in Metallen können sich selbst heilen, was darauf hindeutet, dass selbstreparierende Maschinen eines Tages erlittene Schäden rückgängig machen könnten, wie eine neue Studie zeigt.

Wenn Metallteile in Maschinen wiederholt Belastungen ausgesetzt werden, entstehen mikroskopisch kleine Risse, die mit der Zeit wachsen und sich ausbreiten, bis die Teile brechen. Diese Ermüdung ist für bis zu 90 Prozent aller Ausfälle in Metallkonstruktionen verantwortlich, oft in katastrophaler und unvorhersehbarer Weise.

Frühere Forschungen untersuchten Metalle, die sich nach Einwirkung von Hitze selbst reparieren können, um latente Heilungskomponenten zu aktivieren. Jetzt haben Wissenschaftler herausgefunden, dass mikroskopisch kleine Risse im Metall völlig von selbst verschwinden können.

„Diese Entdeckung könnte schließlich zu neuen Strategien zur Minderung von Ermüdungsrissen in Metallen führen“, sagt der Co-Seniorautor der Studie, Brad Boyce, Materialwissenschaftler am Center for Integrated Nanotechnologies der Sandia National Laboratories in Albuquerque, New Mexico.

In der neuen Studie analysierten die Forscher von Sandia ursprünglich, wie sich Risse in 40 Nanometer dicken Platinfolienstücken bildeten und ausbreiteten, die im Vakuum gehalten wurden. Mit einem auf Sandias Wunsch entwickelten neuen Instrument, das in ein Elektronenmikroskop passt, zogen die Forscher wiederholt 200 Mal pro Sekunde an den Kanten des Metalls, um die Folie zu belasten.

Überraschenderweise kehrte sich der Schaden nach etwa 40 Minuten nach Beginn eines Experiments um. Ein Ende eines Risses verschmolz auf einer Länge von 18 Seemeilen wieder miteinander und hinterließ keine Spuren. Im weiteren Verlauf des Experiments öffnete sich der Riss in einer anderen Richtung wieder.

Das Geheimnis dieser Selbstheilung ist ein Phänomen, das als Kaltschweißen bezeichnet wird. Metalle werden durch metallische Bindungen zusammengehalten, bei denen sich die äußersten Elektronen jedes Atoms frei in der Gesamtstruktur des Materials bewegen können. Das bedeutet, dass zwei flache, saubere Metallstücke miteinander verschmelzen können, wenn sie in Kontakt kommen. Die Natur metallischer Bindungen bedeutet, dass es für die Atome und freien Elektronen in jedem Metallstück keinen Unterschied zwischen den beiden Teilen gibt und sie sich so verhalten, als wären sie ein einziges verbundenes Stück.

Kaltschweißen kommt im Alltag normalerweise nicht vor, da Metalle häufig mit Schichten aus Oxiden und anderen Verunreinigungen überzogen sind, die dies verhindern. Es kann jedoch zu Problemen im Weltraum führen – beispielsweise konnte sich die Hochleistungsantenne der NASA-Sonde Galileo zum Jupiter 1991 nicht vollständig öffnen, weil Teile davon durch Kaltschweißen miteinander verschmolzen waren.

Wissenschaftler wissen, dass es beim Zusammenpressen von Metallen zu Kaltverschweißungen kommen kann. Im Jahr 2013 legten jedoch Computersimulationen des Materialwissenschaftlers Michael Demkowicz, damals am MIT, und des damaligen Doktoranden Guoqiang Xu nahe, dass Kaltschweißen mikroskopische Risse auch ohne Kompression heilen könnte. Die neuen Erkenntnisse stützen diese frühere Arbeit.

„Ich war gespannt, wie eine solch kontraintuitive Vorhersage experimentell bestätigt wurde“, sagt Demkowicz, jetzt an der Texas A&M University in College Station.

Boyce warnt: „Das war kein großer Riss und er hat sich nicht vollständig von selbst verheilt.“ Es handelte sich um einen mikroskopisch kleinen Riss, der nur an der Rissspitze von selbst heilte.“

Dennoch könnte die Fähigkeit von Metall, selbst einen mikroskopisch kleinen Riss selbst zu heilen, Anwendung finden. „Jeder Schaden beginnt im Nanomaßstab“, sagt Demkowicz, Co-Senior-Autor der neuen Studie. „Wenn wir Risse heilen können, solange sie noch klein sind, können wir Schäden im Keim ersticken.“

Die Wissenschaftler wollen nun herausfinden, ob diese Selbstheilung an der Luft statt im Vakuum und in Legierungen wie Stahl stattfinden kann, sagt Boyce. Letztlich wolle man Materialien entwerfen, die sich diesen Effekt gezielt zunutze machen, fügt er hinzu.

Die Forscher erläuterten ihre Ergebnisse am 19. Juli in der Zeitschrift Nature.