För 6, 000 år, människor har gjort saker av metall för att det är starkt och tufft; det krävs mycket energi för att skada den. Baksidan av den här egenskapen är att det krävs mycket energi för att reparera den skadan. Vanligtvis, reparationsprocessen innebär att metallen smälts med svetsbrännare som kan nå 6, 300 ° F.

Nu, för första gången, Penn Engineers har utvecklat ett sätt att reparera metall vid rumstemperatur. De kallar sin teknik för "läkning" på grund av dess likhet med hur ben läker, rekrytering av råvara och energi från en extern källa.

Studien genomfördes av James Pikul, biträdande professor vid institutionen för maskinteknik och tillämpad mekanik och Zakaria Hsain, en doktorand i sitt labb.

Det publicerades i tidningen Avancerade funktionella material .

Utöver energikostnaderna i samband med den nuvarande processen att reparera metall genom att smälta den till en mer smidig form, det finns några metallkomponenter där en sådan reparationsstrategi inte ens är ett alternativ. Till exempel, smältning tar bort den invecklade inre strukturen hos metalliska skum, som är metaller gjorda med inre luftfickor. Detta arrangemang av stöttor och luckor minskar materialets vikt samtidigt som dess totala styrka bibehålls.

Medan man undersöker sätt att reparera sådana porösa metaller, Pikul och Hsain tittade på befintliga "självläkande" material, som i allmänhet är tillverkade av relativt mjuka polymerer och plaster.

"Det sätt som människor gör självläkning idag är att de impregnerar dessa polymerer med olika kemikalier som, när den polymeren brister, släpps ut och blandas som en epoxi, limma ihop materialet igen, "Säger Pikul." Detta tillvägagångssätt fungerar för polymerer eftersom polymerer kan flyta och är relativt lätta att omforma vid rumstemperatur, men det betyder att de har begränsad styrka som ett resultat. "

För att läka metallskum, som i allmänhet har bättre strukturella egenskaper än polymerer, Pikul och Hsain började med att hitta ett sätt för dem att "känna" var de hade skadats. Istället för att inkapsla ytterligare kemikalier som används vid reparation, forskarna insåg att de kunde använda brytningen av ett polymerskikt som en slags kemisk signal.

Pikul och Hsain använde kemisk ångavsättning för att jämnt belägga varje strut av nickelskummet med ett lager Parylene D, en kemiskt inert och stretchig polymer. Eftersom materialets skadetolerans är något lägre än för nickel, det går sönder först eftersom provet är skadat, avslöjar metallen under. Forskarna kunde sedan använda galvanisering för att bygga nya nickelstag endast på det exponerade nicklet där de behövdes.

Galvanisering är en relativt låg energi, rumstemperaturteknik, används oftast för att lägga ett lager krom till bildelar eller guld till smycken. I det tidigare exemplet, en ståldäckfälg placeras i ett flytande elektrolytbad som innehåller kromjoner. När en spänning appliceras, joner nära stålet reagerar och bildar en enhetlig krommetallbeläggning på stålet.

"Till skillnad från polymerer, metaller flyter inte vid rumstemperatur, "Pikul säger." Det fina med elektrokemi är att metalljoner lätt kan röra sig genom den flytande elektrolyten. Vi använder sedan elektrokemi för att omvandla jonerna till fast metall. Polymeren fungerar som en litografimask och låter bara jonerna förvandlas till metall där metallskummet bröts. "

Pikul och Hsain läkte tre typer av skador i sina experiment på centimeterskala prover av deras polymerbelagda nickelskum:prover med sprickor, prover som hade dragits isär tills de var anslutna med bara några stag, och prover som hade klyvts i två.

Det tog cirka fyra timmar att läka skadan, och eftersom galvanisering verkar på allt exponerat nickel samtidigt, tiden det tar att läka skador är oberoende av provets storlek.

Även om detta rumstemperatur-tillvägagångssätt inte verkligen är "självläkande" eftersom det kräver en extern strömkälla och råvaror, Pikul ser att det är i linje med hur självläkning sker i kroppen.

"Jag tror att de flesta skulle säga att ben är ett självläkande material, "Pikul säger, "och jag tror, i praktiken, vårt material liknar mycket ben. Ben är inte heller helt fristående; den behöver en energikälla och näringsämnen för att läka, som båda kommer från att äta mat. I vårt system, dessa fungerar på samma sätt som spännings- och galvaniseringsbadet. "

Gillar också ben, de reparerade områdena är faktiskt starkare än de var innan de skadades eftersom extra nickel odlas på läkningsstället. Den nya nickeln, dock, minskar läkningseffektiviteten vid upprepad användning av denna teknik. Eftersom de läkta områdena inte längre har en polymerbeläggning, nickel skulle fortsätta samla på sig om en annan bit av provet skulle behöva läka.

Pikul hoppas att ytterligare forskning om denna teknik kommer att öka likheterna med biologisk läkning.

"Elektrolytvätskan som möjliggör läkning kan integreras i metallskummen så att den liknar blod i vår kropp, "Säger Pikul." När skummet är sönder, elektrolyten kommer att omge det brutna området och läka metallen efter applicering av en extern spänning, som kan vara från ett batteri. "

Skummet kan läka utan att behöva ta bort och sänka den skadade delen - särskilt användbart om delen i fråga är en bildörr, robotarm, eller rymdstationskomponent.