В качестве инновационной концепции в области материаловедения и инженерии вдохновение для создания самовосстанавливающихся материалов исходит от живых организмов, обладающих врожденной способностью к самовосстановлению. В этом направлении поиск самовосстанавливающихся материалов в основном был сосредоточен на «мягких» материалах, таких как полимеры и гидрогели. Интуитивно можно предположить, что для твердотельных металлов достичь любой формы самовосстановления будет гораздо труднее.

Хотя несколько прошлых исследований продемонстрировали поведение самовосстановления в металлах, которое в той или иной степени требует помощи внешних триггеров (например, путем нагрева, механического воздействия или облучения электронным лучом), может ли автономное самовосстановление происходить в твердых металлических телах? без какого-либо внешнего вмешательства остается научной диковинкой.

Теперь в новом исследовании, опубликованном в Иметь значениеИсследователи из Института физики (IOP) Китайской академии наук обнаружили, что такое внутреннее и автономное явление самовосстановления может происходить в наноразмерном серебре (Ag).

Это исследование, сочетающее в себе передовую трансмиссионную электронную микроскопию (ПЭМ) in-situ с моделированием молекулярной динамики (МД), показывает, что наноразмерное серебро может самостоятельно восстанавливаться от структурных повреждений, таких как нанотрещины и нанопоры, без внешнего вмешательства.

Эта замечательная способность наблюдается не только при комнатной температуре, но и при низких температурах, вплоть до 173 К. Примечательно, что на одной и той же области повреждения могут быть достигнуты повторяющиеся обратимые циклы самовосстановления с тем же уровнем эффективности.

Эксперименты проводились в ПЭМ с атомным разрешением с использованием монокристаллических нанолистов Ag в качестве тестовых образцов. И нанопоры, и нанотрещины были целенаправленно изготовлены путем сверления на месте электронным лучом ПЭМ. Чтобы избежать любого возможного вмешательства в процесс заживления, образец нанолиста Ag впоследствии хранился в состоянии «отключенного луча» до каждого момента для интервальной TEM-визуализации.

Интересным и, возможно, неожиданным результатом стало то, что два характерных типа структурных повреждений претерпели быстрое автономное самовосстановление в течение нескольких-десяти минут, при этом залеченные области прекрасно восстанавливают кристаллическую решетку Ag с атомарно точным упорядочением.

В отличие от Ag, золото (Au) не проявляло аналогичного поведения самовосстановления при комнатной температуре, несмотря на то, что Au является наиболее важным элементом Ag в таблице Менделеева, и они имеют много общего в физических и химических свойствах.

Дальнейшие результаты МД-моделирования воспроизвели экспериментальные наблюдения, особенно в отношении разницы в поведении заживления между Ag и Au. Что отличает Ag от Au, так это его высокая подвижность поверхностной диффузии, черта, которая обычно не встречается в других металлических твердых телах.

Используя ПЭМ, исследователи смогли на месте отследить траектории процесса заживления Ag на атомном уровне. Благодаря сочетанию результатов атомистической визуализации и теоретического моделирования исследование подчеркивает, что самовосстановление возможно за счет поверхностной самодиффузии атомов Ag, вызванной дисбалансом химического потенциала из-за эффекта Гиббса-Томсона.

Когда зарождающаяся структура повреждения (нанопора или нанотрещина) начинает свое существование в нанолисте Ag, создается вогнутый участок с отрицательной локальной кривизной. Из-за общей зависимости химического потенциала от кривизны вогнутое место повреждения будет иметь меньший химический потенциал по сравнению с неповрежденными участками нанолиста. Этот встроенный дисбаланс химического потенциала заставляет атомы Ag мигрировать и самостоятельно восстанавливать повреждения, демонстрируя сложную форму самоподдержания материала.

Способность Ag автономно самовосстанавливаться наноразмерных повреждений при комнатной температуре и ниже показывает многообещающую возможность для разработки устойчивых к повреждениям компонентов и устройств субмикрометрового масштаба длины.

Возможно, что еще более важно, в более широком смысле, это необычное открытие на механистическом уровне может обеспечить основу для более глубокого понимания явлений и концепций самовосстановления в металлических твердых телах в целом.