Por primera vez observan como un metal es capaz de autorrepararse

La fatiga en los metales implica fallas graduales a través de la propagación incremental de grietas bajo carga mecánica repetitiva. En aplicaciones estructurales, representa hasta el 90 % de las fallas. Su prevención se basa en la implementación de grandes factores de seguridad y diseño. En el desarrollo metalúrgico tradicional para la resistencia a la fatiga, las microestructuras se producen para detener o retardar la progresión de las grietas. Pero se supone que su crecimiento es irreversible.

Los científicos han sido testigos recientemente por primera vez de piezas de metal que se agrietan y luego se fusionan sin intervención humana, anulando teorías científicas fundamentales en el proceso. Si se puede aprovechar el fenómeno recién 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. El equipo de investigación de Sandia National Laboratories y Texas A&M University describió sus hallazgos en ese sentido en la revista Nature.

“Fue absolutamente impresionante verlo de primera mano —indicó Brad Boyce, científico de materiales de Sandia y uno de los autores de la investigación—. 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”. Este deterioro 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 se produce un chasquido y todo el dispositivo se rompe.

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 manera impredecible debido a la carga cíclica que conduce al inicio de grietas y una eventual fractura —continuó 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 para los EE.UU”.

Aunque los especialistas han creado algunos materiales autorreparables, en su mayoría plásticos, la noción de un metal autorreparable ha sido en gran parte dominio de las películas de superhéroes. “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”, afirmó Boyce.

En 2013, Michael Demkowicz, entonces profesor asistente en el departamento de ciencia e ingeniería de materiales del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), 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.

Los expertos del Centro de Nanotecnologías Integradas, una instalación para usuarios del Departamento de Energía operada conjuntamente por los laboratorios nacionales Sandia y Los Alamos, descubrieron inadvertidamente que la apreciación de Demkowicz era cierta.

“Ciertamente no lo estábamos buscando”, dijo Boyce. Khalid Hattar, ahora profesor asociado en la Universidad de Tennessee, Knoxville, y Chris Barr, que trabaja para la Oficina de Energía Nuclear del Departamento de Energía, estaban realizando el experimento en Sandia cuando se hizo el descubrimiento. Solo tenían la intención de evaluar cómo se formaron las grietas y se extendieron 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.

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, volvió a crecer en una dirección diferente. Hattar lo llamó una “percepción sin precedentes”. Boyce, que conocía la teoría, compartió sus hallazgos con Demkowicz. “Me alegró mucho escucharlo, por supuesto”, dijo éste. Luego, el profesor recreó el experimento en un modelo de computadora, lo que demuestra que el fenómeno presenciado en Sandia era el mismo que había teorizado años antes.

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 —indicó Boyce—. Mostramos que esto sucede en metales nanocristalinos en el vacío. Pero no sabemos si esto también puede inducirse en metales convencionales en el aire”. 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 paso aliente a los investigadores de materiales a considerar que, en las circunstancias adecuadas, pueden hacer cosas que nunca esperábamos”, concluyó Demkowicz.

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