Insólito descubrimiento: los metales pueden curarse a sí mismos

Las grietas microscópicas desaparecen en nanocristalinos, lo que revela la posibilidad de máquinas de autorreparación.

El investigador de Sandia National Laboratories, Ryan Schoell, utiliza una técnica especializada de microscopio electrónico de transmisión desarrollada por Khalid Hattar, Dan Bufford y Chris Barr para estudiar las grietas por fatiga a nanoescala. / Craig Fritz

Los científicos han sido testigos por primera vez de piezas de metal que se agrietan y luego se fusionan sin intervención humana, anulando teorías científicas fundamentales durante este proceso.

Si se pudiera aprovechar el fenómeno ahora descubierto, podría marcar el comienzo de una revolución de la ingeniería, una en la que los motores, puentes y aviones de autorreparación podrían revertir el daño causado por el desgaste, haciéndolos más seguros y duraderos, según se informa en un comunicado.

El equipo de investigación que ha obtenido este hallazgo, de Sandia National Laboratories y Texas A&M University, describe sus hallazgos en la revista Nature.

¡Impresionante!

“Fue absolutamente impresionante verlo de primera mano”, dijo Brad Boyce, científico de materiales de Sandia.

“Lo que hemos confirmado es que los metales tienen su propia capacidad intrínseca y natural para curarse a sí mismos, al menos en el caso de daño por fatiga a nanoescala”, dijo Boyce.

El daño por fatiga es una forma en que las máquinas se desgastan y eventualmente se rompen. El estrés o el movimiento repetido provoca la formación de grietas microscópicas. Con el tiempo, estas grietas crecen y se extienden hasta que ¡chasquean! Todo el dispositivo se rompe, o en la jerga científica, falla.

Medidas en nanómetros

La fisura que Boyce y su equipo vieron desaparecer era una de estas pequeñas pero importantes fracturas, medidas en nanómetros.

“Desde las juntas de soldadura en nuestros dispositivos electrónicos hasta los motores de nuestros vehículos y los puentes sobre los que conducimos, estas estructuras a menudo fallan de forma impredecible debido a la carga cíclica que conduce al inicio de grietas y, finalmente, a la fractura”, dijo Boyce.

“Cuando fallan, tenemos que lidiar con los costos de reemplazo, el tiempo perdido y, en algunos casos, incluso con lesiones o pérdida de vidas. El impacto económico de estas fallas se mide en cientos de miles de millones de dólares cada año solo en Estados Unidos”, añade,

¿Ciencia ficción?

Aunque los científicos han creado algunos materiales autorreparables, en su mayoría plásticos, la noción de un metal autorreparable ha sido en gran parte dominio de la ciencia ficción.

“Solo se esperaba que las grietas en los metales se hicieran más grandes, no más pequeñas. Incluso algunas de las ecuaciones básicas que usamos para describir el crecimiento de grietas excluyen la posibilidad de tales procesos de curación”, dijo Boyce.

Descubrimiento inesperado

En 2013, Michael Demkowicz, entonces profesor asistente en el departamento de ciencia e ingeniería de materiales del Instituto de Tecnología de Massachusetts, ahora profesor titular en Texas A&M, comenzó a trabajar en la teoría de materiales convencionales.

Publicó una nueva teoría, basada en hallazgos en simulaciones por computadora, que bajo ciertas condiciones el metal debería ser capaz de soldar las grietas cerradas formadas por el desgaste. Esto es lo que se ha confirmado con la nueva investigación, algo que ha ocurrido de forma espontánea e inesperada, porque no era lo que los investigadores estaban buscando.

Solo tenían la intención de evaluar cómo se formaban las grietas y se extendían a través de una pieza de platino a nanoescala utilizando una técnica de microscopio electrónico especializada que habían desarrollado para tirar repetidamente de los extremos del metal 200 veces por segundo.

Primer paso

Sorprendentemente, unos 40 minutos después del experimento, el daño cambió de rumbo. Un extremo de la grieta se fusionó como si estuviera volviendo sobre sus pasos, sin dejar rastro de la lesión anterior. Con el tiempo, la grieta volvió a crecer en una dirección diferente.

Aún se desconoce mucho sobre el proceso de autorreparación, incluido si se convertirá en una herramienta práctica en un entorno de fabricación.

“Es probable que la medida en que estos hallazgos sean generalizables se convierta en un tema de investigación exhaustiva”, dijo Boyce.

“Mostramos que esto sucede en metales nanocristalinos en el vacío. Pero no sabemos si esto también se puede inducir en los metales convencionales en el aire”, añade.

Salto adelante

Sin embargo, a pesar de todas las incógnitas, el descubrimiento sigue siendo un salto adelante en la frontera de la ciencia de los materiales.

“Espero que este hallazgo aliente a los investigadores de materiales a considerar que, en las circunstancias adecuadas, los materiales pueden hacer cosas que nunca esperábamos”, dijo Demkowicz.