Descubren que algunos metales pueden curarse a sí mismos y abren la posibilidad de crear máquinas autorreparadoras

Por primera vez, unos científicos han visto cómo se agrietaban y volvían a fundirse trozos de metal sin intervención humana, dando un vuelco a teorías científicas fundamentales. Si el fenómeno recién descubierto puede aprovecharse, podría dar paso a una revolución de la ingeniería, en la que motores, puentes y aviones autorreparables podrían revertir los daños causados por el desgaste, haciéndolos más seguros y duraderos.

Por Guillermo Carvajal 

 
El equipo de investigadores de los Laboratorios Nacionales Sandia y la Universidad A&M de Texas describe sus hallazgos en la revista Nature: Fue absolutamente asombroso 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 de curarse a sí mismos, al menos en el caso de daños por fatiga a nanoescala, afirma Boyce.
El daño por fatiga es una de las formas en que las máquinas se desgastan y acaban rompiéndose. La tensión o el movimiento repetidos provocan la formación de grietas microscópicas. Con el tiempo, estas grietas crecen y se extienden hasta que… todo el dispositivo se rompe o, en la jerga científica, falla.
La fisura que Boyce y su equipo vieron desaparecer era una de estas fracturas diminutas pero consecuentes, medidas en nanómetros. Desde las soldaduras de nuestros dispositivos electrónicos hasta los motores de nuestros vehículos o los puentes por los que circulamos, estas estructuras suelen fallar de forma impredecible debido a cargas cíclicas que provocan la aparición de grietas y, finalmente, la rotura, explica Boyce. Cuando fallan, tenemos que hacer frente a costes de sustitución, pérdida de tiempo y, en algunos casos, incluso lesiones o pérdida de vidas humanas. El impacto económico de estos fallos se mide en cientos de miles de millones de dólares al año en Estados Unidos.

El verde marca el punto en el que se formó una fisura y luego se fusionó de nuevo en esta representación artística de la autocuración a nanoescala en metal, descubierta en los Laboratorios Nacionales Sandia. Las flechas rojas indican la dirección de la fuerza de tracción que desencadenó inesperadamente el fenómeno | foto Dan Thompson, Sandia National Laboratories

Aunque los científicos han creado algunos materiales autorreparables, sobre todo plásticos, la noción de un metal autorreparable ha sido en gran medida dominio de la ciencia ficción. Se esperaba que las grietas en los metales se hicieran más grandes, no más pequeñas. Incluso algunas de las ecuaciones básicas que utilizamos para describir el crecimiento de las grietas excluyen la posibilidad de tales procesos de curación, afirma Boyce.
Descubrimiento inesperado confirmado por el creador de la teoría
En 2013, Michael Demkowicz -entonces profesor adjunto en el departamento de ciencia e ingeniería de materiales del Instituto Tecnológico de Massachusetts, ahora profesor titular en Texas A&M- empezó a astillar la teoría convencional de los materiales. Publicó una nueva teoría, basada en los resultados de simulaciones por ordenador, según la cual, en determinadas condiciones, el metal debería ser capaz de soldar las grietas formadas por el desgaste.
El descubrimiento de que su teoría era cierta se produjo inadvertidamente en el Centro de Nanotecnologías Integradas, una instalación del Departamento de Energía gestionada conjuntamente por los laboratorios nacionales de Sandia y Los Álamos. Desde luego, no lo estábamos buscando, afirma Boyce.
Khalid Hattar, ahora profesor asociado en la Universidad de Tennessee, Knoxville, y Chris Barr, que ahora trabaja para la Oficina de Energía Nuclear del Departamento de Energía, estaban realizando el experimento en Sandia cuando se hizo el descubrimiento. Sólo pretendían evaluar cómo se formaban y propagaban las grietas a través de una pieza de platino a nanoescala utilizando una técnica especializada de microscopio electrónico que habían desarrollado para tirar repetidamente de los extremos del metal 200 veces por segundo.
Sorprendentemente, a los 40 minutos del experimento, el daño se invirtió. Un extremo de la grieta se fusionó como si volviera sobre sus pasos, sin dejar rastro de la lesión anterior. Con el tiempo, la grieta volvió a crecer en otra dirección. Hattar lo calificó de descubrimiento sin precedentes.
Boyce, que conocía la teoría, compartió sus hallazgos con Demkowicz. Me alegré mucho de oírlo, por supuesto, dijo Demkowicz. El profesor recreó entonces el experimento en un modelo informático, corroborando que el fenómeno presenciado en Sandia era el mismo que él había teorizado años antes.
Su trabajo contó con el apoyo de la Oficina de Ciencias Básicas del Departamento de Energía, la Administración Nacional de Seguridad Nuclear y la Fundación Nacional de la Ciencia.
Aún queda mucho por saber sobre el proceso de autorreparación, como por ejemplo si se convertirá en una herramienta práctica en un entorno de fabricación. El grado de generalización de estos resultados será probablemente objeto de una amplia investigación, afirma Boyce. Demostramos que esto ocurre en metales nanocristalinos en el vacío. Pero no sabemos si 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. Mi esperanza es que este hallazgo anime a los investigadores de materiales a considerar que, en las circunstancias adecuadas, los materiales pueden hacer cosas que no esperábamos, dijo Demkowicz.

Fuentes
Sandia National Laboratories | Barr, C.M., Duong, T., Bufford, D.C. et al. Autonomous healing of fatigue cracks via cold welding. Nature (2023). doi.org/10.1038/s41586-023-06223-0
Publicado en: https://www.labrujulaverde.com/2023/07/descubren-que-algunos-metales-pueden-curarse-a-si-mismos-y-abren-la-posibilidad-de-crear-maquinas-autorreparadoras - Imagen: Foto Craig Fritz, Sandia National Laboratories