Tiến sĩ Michael Demkowitz từng dự đoán về hiện tượng tự phục hồi của kim loại. Hiện tượng này cuối cùng đã được quan sát vào mùa hè năm nay, khiến các nhà khoa học trên thế giới sửng sốt. Một mảnh bạch kim nhỏ phát triển các vết nứt nhỏ khi bị kéo căng liên tục. Thí nghiệm được thiết kế để nghiên cứu sự phát triển của vết nứt mỏi đã diễn ra theo kế hoạch trong một thời gian. Nhưng sau đó, một điều bất ngờ đã xảy ra. Các vết nứt ngừng phát triển và bắt đầu ngắn lại, "tự chữa lành" một cách hiệu quả.
Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia đã phát hiện ra hiện tượng đáng kinh ngạc này khi tiến hành các thí nghiệm đứt gãy trên kim loại tinh thể nano. Những phát hiện này đã được công bố gần đây trên tạp chí Nature.
Trước phát hiện này, thật hợp lý khi cho rằng kim loại tự phục hồi chỉ có thể xuất hiện trong tiểu thuyết khoa học viễn tưởng. Tiến sĩ Michael Demkowicz, giáo sư tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu tại Đại học Texas A&M và là đồng tác giả của nghiên cứu gần đây, không nghĩ như vậy.
Demkowicz và các sinh viên của ông đã dự đoán đặc tính tự phục hồi của kim loại cách đây một thập kỷ khi ông còn là trợ lý giáo sư tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu của MIT.
"Điểm khởi đầu của chúng tôi không phải là tìm ra khả năng tự phục hồi. Học sinh của tôi GuoxiangXu vào thời điểm đó đang thực hiện mô phỏng gãy xương," Demkowicz nói. “Chúng tôi vô tình quan sát thấy sự chữa lành tự phát trong một trong những mô phỏng của anh ấy và quyết định theo dõi.”
Sau đó, cũng như bây giờ, kết quả năm 2013 thật đáng ngạc nhiên. Demkowicz nói thêm rằng ông, các sinh viên và đồng nghiệp của ông có phần hoài nghi về lý thuyết ban đầu. Tuy nhiên, mô hình mô phỏng của ông đã được các nhà nghiên cứu khác nhân rộng và mở rộng nhiều lần trong những năm tiếp theo.
Demkowicz nói: "Rõ ràng là các mô phỏng không sai vì những người khác đã thấy tác dụng tương tự trong công việc lập mô hình của họ."
Cả mô hình năm 2013 và thí nghiệm gần đây đều sử dụng kim loại tinh thể nano, có cấu trúc tinh thể hoặc kích thước hạt được đo trên thang đo nanomet (phần triệu milimet). Demkowicz cho biết mặc dù kim loại này không được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng kỹ thuật nhưng hầu hết kim loại đều có thể được sản xuất ở dạng này.
Ông giải thích thêm rằng kim loại tinh thể nano giúp nghiên cứu khả năng tự phục hồi dễ dàng hơn vì kích thước hạt nhỏ của chúng có thể tạo ra nhiều đặc điểm cấu trúc vi mô hơn mà ngay cả những vết nứt nhỏ cũng có thể tương tác.
Cả hai nghiên cứu đều phát hiện ra rằng ranh giới hạt là một đặc điểm ảnh hưởng đến quá trình lành vết nứt, tùy thuộc vào hướng mà ranh giới hạt di chuyển so với vết nứt. Demkowicz nói thêm rằng những đặc điểm này phổ biến ở nhiều kim loại và hợp kim và có thể được kiểm soát.
Demkowicz cho biết: "Tác động chính của công việc hiện tại là loại bỏ dự đoán lý thuyết ban đầu 'ra khỏi bảng vẽ' và cho thấy điều đó xảy ra trong thực tế. Chúng tôi chưa thực sự bắt đầu tối ưu hóa các cấu trúc vi mô tự phục hồi. Xác định những thay đổi tối ưu để thúc đẩy khả năng tự phục hồi là một nhiệm vụ đầy thách thức cho công việc trong tương lai. "
Các ứng dụng tiềm năng của tác phẩm này có thể rất khác nhau. Demkowicz tin rằng khả năng tự phục hồi cũng có thể xảy ra ở các kim loại truyền thống có kích thước hạt lớn hơn, nhưng cần có nghiên cứu trong tương lai.
Lý thuyết năm 2013 và các thí nghiệm gần đây đều có một điều kiện chung, đó là cả hai đều được tiến hành trong môi trường chân không không có vật chất lạ nào cả. Những vật liệu lạ này có thể cản trở khả năng liên kết hoặc hàn nguội của bề mặt bị nứt. Ngay cả với hạn chế này, vẫn có những ứng dụng tiềm năng trong công nghệ hàng không vũ trụ hoặc trong các vết nứt bên trong không tiếp xúc với không khí bên ngoài.
Sau một thập kỷ nghiên cứu, lý thuyết của Demkowicz đã thành hiện thực trong các thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia. Trong nghiên cứu hiện tại, Demkowicz đã có thể xác minh liệu các hiện tượng được quan sát gần đây có phù hợp với mô hình mô phỏng ban đầu của ông hay không.
"Đó là một thử nghiệm tuyệt vời. Nhưng tôi nghĩ đó cũng là một chiến thắng lớn về mặt lý thuyết," Demkowicz nói. “Sự phức tạp của vật liệu thường gây khó khăn cho việc dự đoán các hiện tượng mới một cách chắc chắn. Khám phá này mang lại cho tôi hy vọng rằng các mô hình lý thuyết của chúng ta về hành vi vật liệu đang đi đúng hướng”.