Metaal repareert zichzelf en verbijstert wetenschappers

Het is de droom van iedere techneut die zaken van metaal maakt of ontwerpt: een metaal dat in staat is zichzelf te repareren zonder menselijke tussenkomst. Het is immers een bewezen feit dat metaalmoeheid bestaat.

Wat is metaalmoeheid?

Bij langdurig gebruik ontstaan er barstjes of scheuren in een voorwerp dat van metaal is gemaakt. In eerste instantie is dat op nano-niveau en alleen zichtbaar met een elektronenmicroscoop. Maar de scheurtjes en barstjes worden groter en op enig moment verliest het metaal zijn veerkracht en scheurt daadwerkelijk.

Dat kan gebeuren bij bruggen, vliegtuigen, motoren en vrijwel alles dat van metaal wordt gemaakt en onder spanning wordt gezet. Jaarlijks kost onderzoek naar metaalmoeheid miljarden euro’s. Daarbij bestaat ook altijd het risico dat vanwege ongelukken veroorzaakt  door het verschijnsel mensen om het leven komen. In de luchtvaart is dat reeds vele malen gebeurd en het is ook in de toekomst niet uitgesloten. Nog steeds is veel niet bekend over metaal.

Sciencefiction in de realiteit

In 2013 opperde wetenschapper Michael Demkowicz een theorie dat metaal onder bepaalde omstandigheden zelfherstellend zou kunnen zijn. Dat was al aangetoond bij sommige kunststoffen, die daarvoor speciaal werden ontworpen door mensen. De theorie van Demkowicz was gebaseerd op computersimulaties.

A unique property of stainlesssteel is its legendary passive layer. This forms when chromium in #stainlessteel reacts with oxygen in the air & allows it to reform and protect the material from corrosion #selfrepairing #superiorstrength pic.twitter.com/vGaFdy5cNk

— sassda (@sassda_sa) April 14, 2021

Metaal herstelt zichzelf

Wetenschapper Brad Boyce was niet op de hoogte van dit verslag. Zijn werkgever Sandia National Laboratories deed samen met de Technische Universiteit van Texas onderzoek naar zuivere metalen. Het team onderzocht de vorming en verspreiding van nano-scheuren in platina. Op beelden was te zien hoe zich een nano-scheur vormde in het metaal. Wat daarna gebeurde verbijsterde de wetenschappers. Zonder enig ingrijpen van menselijke kant herstelde het metaal zichzelf.

Na ongeveer 40 minuten leek het alsof het scheurtje kleiner werd, omdat bij het begin en einde een soort versmelting plaats vond. Na meerdere uren was het metaal weer compleet hersteld. Het was de eerste keer dat waargenomen werd dat een scheur of barst kleiner werd. Tot op dat moment werd alleen het groter van scheuren zonder ingrijpen mogelijk geacht. Het hoe en waarom van het proces is een compleet raadsel.

Op naar de zelfherstellende brug?

Zoals bij veel spectaculaire ontdekkingen is een praktische toepassing niet zomaar mogelijk. Ook Boyce denkt dat er nog veel onderzoek nodig zal zijn om het verschijnsel goed te kunnen begrijpen. Het onderzoek bij platina vond plaats in een luchtledige omgeving. Het is derhalve nog niet aangetoond dat hetzelfde effect ook in een atmosfeer kan plaatsvinden. Ook betrof het een scheurtje op nano-niveau.

Bij grote defecten is niet bekend in hoeverre het zelfherstellen van metaal tot de mogelijkheden behoort. Toch is het duidelijk dat wetenschappers over de hele wereld zeer veel interesse hebben getoond. Wellicht zal het nog erg lang duren voordat metalen gebruikt kunnen worden die inderdaad zonder menselijk ingrijpen zichzelf repareren. De hoop is echter vooral gericht op het feit dat dit onderzoek meer duidelijk kan maken over metaalmoeheid en de opties om deze te bestrijden. De ontdekking is beschreven in het wetenschappelijk tijdschrift Nature.