Forskare från Technion-Israel Institute of Technology och Tyskland har för första gången demonstrerat fenomenet formminne och självläkning i guldmikropartiklar. Uppnås genom defektförmedlad diffusion i partikeln, upptäckten kan en dag leda till utvecklingen av mikro- och nanorobotar som kan reparera sig själv; mekaniskt stabila och skadetoleranta komponenter och anordningar; och riktad läkemedelstillförsel.

Studien, publicerad i tidskriften Advanced Science, genomfördes av doktoranden Oleg Kovalenko och Dr Leonid Klinger, ledd av prof. Eugen Rabkin från Technions institution för materialvetenskap och teknik, tillsammans med Dr. Christian Brandl från Karlsruhe Institute of Technology, Tyskland (KIT).

Formminnesmaterial kännetecknas av förmågan att reparera skadan som de orsakats (som plastisk deformation) och att återställa sin ursprungliga form. Dessa material kan existera i två stabila kristallina former, eller faser:austenit, vilket är den mer symmetriska primära formen stabil vid förhöjda temperaturer; och martensit, vilket är en fas som kännetecknas av lägre symmetri, men också av större styrka. Ett välkänt exempel på övergång mellan de två faserna är härdning av stål.

Omvandlingen av austenitfasen till martensiten kan aktiveras genom att applicera mekanisk belastning på materialet, eller genom att kyla ner den. Martensitens lågsymmetriska struktur tillåter materialet att absorbera avsevärd plastisk belastning genom att omorientera de förvrängda martensitkristallerna i enlighet med riktningen för den påkänning som appliceras på den. Även efter plastisk deformation, martensitkristallerna "minns" sin austenitfas och är kapabla att återställa den i sin ursprungliga konfiguration. Detta kommer att hända om materialet värms upp, orsakar den omvända martensit-austenitfasomvandlingen och omvandlar den termiska energin till mekanisk energi som kommer att återställa materialet till dess ursprungliga form.

Tills nu, denna formminneseffekt har endast observerats i väldigt få metallegeringar som Nitinol (Ni-Ti). Dessa legeringar kännetecknas av polymorfism - mångfald av möjliga stabila kristallina faser. Detta är första gången fenomenet formminne har påvisats i submikrometer partiklar av guld. Forskarna drog in guldpartiklarna med en skarp diamantspets som kontrolleras av ett atomkraftmikroskop (AFM). Glödgning av de indragna partiklarna vid en temperatur av 600°C (cirka 65 % av den absoluta smälttemperaturen för guld) resulterade i fullständig läkning av skadan och återhämtning av partiklarnas ursprungliga form före deformation.

Enligt Prof. Rabkin, upptäckten av formminneseffekten i dessa partiklar är överraskande av två skäl:"För det första, partiklarnas ursprungliga form var inte perfekt när det gäller energi och termodynamisk jämvikt. Andra, guld i sitt fasta tillstånd kännetecknas inte av polymorfism."

För att förstå processen på djupet, forskarna undersökte atomrörelsen under intryckning och uppvärmning, med hjälp av atomistiska molekylär dynamiska datorsimuleringar. De visade att den plastiska deformationen under intryckningsprocessen förmedlas av kärnbildning och glidning av dislokationshalvslingor (dislokationerna är linjära, endimensionella defekter i kristallen genom vilken den genomgår plastisk deformation). Slingorna som kommer ut vid de fria ytorna bildar terrasser och avsatser på partikelns plana sidor, och dessa tjänar som "styrskenor" som leder diffusionen av guldatomer tillbaka till den indragna platsen under högtemperaturglödgning. Således återställer partikeln sin ursprungliga form.

Som kaffe som återgår till koppen helt av sig själv

Både plastisk deformation och kapillärdriven diffusion är klassiska exempel på termodynamiskt irreversibla processer. Det är anmärkningsvärt att en kombination av två irreversibla processer kan leda till skadeåtervinning och reversibelt återställande av en partikelform. För att förstå hur överraskande denna process är, tänk på utspillt kaffe som hoppar tillbaka från golvet i koppen, eller en bil som återställer sin ursprungliga form efter att ha hamnat i en olycka.

Prof. Rabkin säger att den upptäckta självläkande och formminneseffekten i metalliska nano- och mikropartiklar kan användas för utformning av mekaniskt stabila och skadetoleranta komponenter och anordningar på längdskala under mikrometer.

Till exempel, en av huvudorsakerna till fel på mobila elektroniska enheter (som surfplattor och smartphones) är det mekaniska slitaget på elektriska kontakter. Att designa en kontaktgeometri baserad på den upptäckta formminneseffekten kan lösa detta problem en gång för alla:elektrisk ström som flyter genom den skadade elektriska kontakten kommer att värma upp kontaktytan, och värme kommer att användas för att reparera den mekaniska skadan på kontakten. En annan möjlig användning är den kontrollerade läkemedelstillförseln till de specifika områdena av patientens kropp. För denna applikation, de partiklar som kan återta sin form vid lägre temperaturer bör utformas. Ett läkemedel kan injiceras i hålrummet på partikelytan som produceras genom fördjupning, och frigörs efter uppvärmning.