Как инновационная концепция в материаловедении и инженерии, вдохновение для самовосстанавливающихся материалов исходит от живых организмов, которые обладают врожденной способностью к самовосстановлению. В этом направлении поиск самовосстанавливающихся материалов в основном был сосредоточен на «мягких» материалах, таких как полимеры и гидрогели. Для твердотельных металлов можно интуитивно представить, что любая форма самовосстановления будет гораздо сложнее для достижения.
Хотя несколько прошлых исследований продемонстрировали самовосстановление металлов, которое в той или иной степени требует участия внешних факторов (например, нагрева, механического воздействия или облучения электронным пучком), вопрос о том, может ли автономное самовосстановление происходить в металлических твердых телах без какого-либо внешнего вмешательства, остается научным любопытством.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Matter , исследователи 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 in situ просвечивающую электронную микроскопию (ПЭМ) с моделированием молекулярной динамики (МД), показывает, что наноразмерное серебро может автономно восстанавливаться после 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 той же поврежденной области можно добиться повторных обратимых циклов самовосстановления с тем же уровнем эффективности.
Эксперименты проводились в ПЭМ с атомным разрешением, используя монокристаллические нанолисты Ag в качестве тестовых образцов. Как нанопоры, так и нанотрещины были намеренно изготовлены путем сверления in situ электронным пучком ПЭМ. Чтобы избежать любого возможного вмешательства в процесс заживления , образец нанолиста Ag впоследствии сохранялся в состоянии «выключенного луча» до каждого момента для интервальной ПЭМ-визуализации.
В качестве интересного и, возможно, удивительного результата было обнаружено, что два типичных типа структурных повреждений подвергались быстрому автономному самовосстановлению в течение нескольких или десятков минут, при этом залеченные области идеально восстанавливали кристаллическую решетку Ag с атомарно точным упорядочением.
В отличие от Ag, золото (Au) не продемонстрировало аналогичного поведения самовосстановления при комнатной температуре, несмотря на то, что Au является наиболее близким к Ag элементом в периодической таблице, и у них много общего по физическим и химическим свойствам.
Дальнейшие результаты моделирования МД 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 ТЭМ, исследователи смогли отслеживать траектории процесса заживления в Ag на атомном уровне in situ. Благодаря сочетанию атомистической визуализации и результатов теоретического моделирования исследование подчеркивает, что самовосстановление обеспечивается поверхностной самодиффузией атомов Ag, обусловленной 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 вогнутый участок повреждения будет, таким образом, иметь меньший химический потенциал относительно неповрежденных участков нанолиста. Этот встроенный дисбаланс химического потенциала заставляет атомы Ag мигрировать и восстанавливать повреждение автономно, демонстрируя сложную форму самообслуживания материала.
Способность Ag к автономному самовосстановлению наномасштабных повреждений при комнатной температуре и ниже открывает многообещающие возможности для разработки устойчивых к повреждениям компонентов и устройств в субмикрометровом масштабе.
Возможно, что еще важнее, в более широком смысле это необычное открытие на механистическом уровне может обеспечить руководящую основу для более глубокого понимания явлений и концепций самовосстановления в металлических твердых телах в целом.
