물리학

스스로 균열을 용접할 수 있는 금속판은 공상 과학 소설 페이지에 나오는 개념처럼 들릴 수도 있습니다. 그러나 이러한 자가 치유는 뉴멕시코에 있는 Sandia 국립 연구소의 Brad Boyce와 동료들이 최근 손상된 백금 필름의 특성을 탐구하는 실험에서 포착한 것과 정확히 같습니다[1]. 그들의 관찰은 이러한 행동에 대한 최초의 것으로, 이는 기계적 피로에 강한 인프라 개발에 영향을 미칠 수 있습니다.

수년에 걸쳐 다양한 과학자들은 비산화 환경에서 금속에 발생하는 균열은 저절로 닫혀야 한다는 이론을 세웠습니다. 이러한 소위 자가 치유는 국부적인 압축 변형이 원자를 밀어 결합을 재형성할 때 원자가 다시 근접해지면 발생할 것으로 예상됩니다. Boyce는 “이 과정은 냉간 용접과 비슷합니다. 이는 진공 상태에서 재료가 융합이나 열의 도움 없이 서로 접착되는 과정입니다. 그러나 지금까지 이 용접이 이루어지는 것을 본 사람은 아무도 없었습니다.

Boyce와 그의 팀은 금속의 관련 특성, 즉 재료가 반복 하중을 받을 때 결정질 나노미터 두께의 백금 금속 시트 내의 결정립 경계가 어떻게 움직이고 모양이 바뀌는지 관찰하는 동안 우연히 관찰했습니다. 연구팀은 상온과 전자현미경 진공환경에서 실험을 진행한 결과, 하중을 가할 때 생긴 피로균열이 커졌다가 줄어들었다는 사실을 발견했다.

팀은 또한 치유된 균열이 다시 열리지 않는 것을 관찰했습니다. 오히려 반복적인 하중이 계속됨에 따라 후속 균열은 고유한 경로를 따랐습니다. 그 소재 자체가 '치유'인 것처럼 보였습니다. Boyce는 "정말 놀라운 일이었습니다."라고 말했습니다. 연구팀은 또한 구리의 자가 치유 작용을 조사하여 구리 균열이 스스로 다시 결합될 수 있다는 증거를 찾았습니다.

Boyce는 팀의 관찰에 따르면 치유 과정에서 재료의 원자 위치가 재구성되어 가장 약한 경로의 궤적이 변경되었음을 암시하며 이러한 동작을 완전히 설명하려면 더 많은 연구가 필요할 것이라고 덧붙였습니다. Boyce는 균열, 치유 및 재구성으로 인해 백금 시트의 기계적 특성이 변경되었는지 여부를 아직 추측할 수는 없지만 관찰 결과 치유로 인해 닫힌 균열 주변의 국부적 영역이 피로에 더 강해졌음을 시사한다고 말했습니다.

자가 치유 금속에 대한 아이디어는 구조물에 생긴 균열을 고칠 수 있는 교량, 파괴적인 붕괴를 방지할 수 있는 교량, 충돌 사고에서 손상되지 않은 채 나오는 자동차에 대한 흥미로운 아이디어를 불러일으킬 수 있지만 재용접 과정은 아직 대기 조건에서 관찰되지 않았습니다. . 오스트리아 과학 아카데미의 은퇴한 물리학자인 Reinhard Pippan은 공기에 노출되면 균열 경계에서 산화가 발생할 것이라고 제안했습니다. 이론에 따르면 이러한 산화는 자가 치유를 방해해야 합니다. 그러나 금속 내부에 균열이 생기면 동일한 현상이 관찰될 수 있습니다.

Boyce는 그와 그의 팀이 공기 중에서 실험을 수행하는 데 사용할 수 있는 또 다른 전자 현미경을 가지고 있다고 말합니다. 그들은 이 도구를 사용하여 산소 함유 환경에서 자가 치유 과정을 연구할 계획입니다. 해양 구조물 및 기타 인프라 개발과 같은 실제 응용 프로그램과 관련된 시스템에서 현상이 어떻게 나타나는지 확인하려면 더 큰 금속 블록에 대한 실험도 필요합니다. 피로에 더 강한 금속에 관심을 갖고 있는 수많은 산업이 있다고 Boyce는 말합니다. 그러나 그는 "이 [현상]을 상용화하고 최대한 활용하려면 아직 더 많은 조사가 필요합니다"라고 덧붙였습니다.

- 앨리슨 가스파리니

Allison Gasparini는 캘리포니아주 산타크루즈에 거주하는 프리랜서 과학 작가입니다.

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