Per 6, 000 anni, gli umani hanno creato cose dal metallo perché è forte e resistente; è necessaria molta energia per danneggiarlo. Il rovescio della medaglia di questa proprietà è che è necessaria molta energia per riparare quel danno. Tipicamente, il processo di riparazione prevede la fusione del metallo con torce di saldatura che possono arrivare a 6, 300 °F.

Ora, per la prima volta, Penn Engineers ha sviluppato un modo per riparare il metallo a temperatura ambiente. Chiamano la loro tecnica "guarigione" a causa della sua somiglianza con il modo in cui le ossa guariscono, reclutare materie prime ed energia da una fonte esterna.

Lo studio è stato condotto da James Pikul, professore assistente presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Meccanica Applicata e Zakaria Hsain, uno studente laureato nel suo laboratorio.

È stato pubblicato sulla rivista Materiali funzionali avanzati .

Al di là dei costi energetici associati all'attuale processo di riparazione del metallo fondendolo in una forma più flessibile, ci sono alcuni componenti metallici in cui una tale strategia di riparazione non è nemmeno un'opzione. Per esempio, la fusione rimuove l'intricata struttura interna delle schiume metalliche, che sono metalli realizzati con sacche d'aria interne. Questa disposizione di montanti e spazi vuoti riduce il peso del materiale mantenendo la sua resistenza complessiva.

Durante l'esplorazione di modi per riparare tali metalli porosi, Pikul e Hsain hanno esaminato i materiali di "autoguarigione" esistenti, che sono generalmente realizzati con polimeri e plastica relativamente morbidi.

"Il modo in cui le persone oggi si auto-guarizzano è impregnare questi polimeri con diverse sostanze chimiche che, quando quel polimero si rompe, vengono rilasciati e si mescolano come una resina epossidica, incollare il materiale di nuovo insieme, " Dice Pikul. "Questo approccio funziona per i polimeri perché i polimeri possono fluire e sono relativamente facili da rimodellare a temperatura ambiente, ma ciò significa che di conseguenza hanno una forza limitata."

Per guarire schiume metalliche, che generalmente hanno proprietà strutturali migliori rispetto ai polimeri, Pikul e Hsain hanno iniziato trovando un modo per "sentire" dove erano stati danneggiati. Invece di incapsulare sostanze chimiche aggiuntive utilizzate nella riparazione, i ricercatori si sono resi conto che potevano usare la rottura di uno strato polimerico come una sorta di segnale chimico.

Pikul e Hsain hanno utilizzato la deposizione chimica da vapore per rivestire uniformemente ogni puntone della schiuma di nichel con uno strato di Parylene D, un polimero chimicamente inerte ed elastico. Poiché la tolleranza ai danni di questo materiale è leggermente inferiore a quella del nichel, si rompe prima quando il campione è danneggiato, rivelando il metallo sottostante. I ricercatori potrebbero quindi utilizzare la galvanica per costruire nuovi montanti in nichel solo sul nichel esposto dove erano necessari.

La galvanica è un'energia relativamente bassa, tecnica a temperatura ambiente, più comunemente usato per aggiungere uno strato di cromo a parti di automobili o oro a gioielli. Nel primo esempio, un cerchione in acciaio è posto in un bagno di elettrolita liquido che contiene ioni di cromo. Quando viene applicata una tensione, Gli ioni vicino all'acciaio reagiscono e formano un rivestimento metallico di cromo uniforme sull'acciaio.

"A differenza dei polimeri, i metalli non scorrono a temperatura ambiente, " Dice Pikul. "La cosa bella con l'elettrochimica è che gli ioni metallici possono muoversi facilmente attraverso l'elettrolita liquido. Usiamo quindi l'elettrochimica per convertire gli ioni in metallo solido. Il polimero agisce come una maschera per litografia e consente agli ioni di trasformarsi in metallo solo nel punto in cui la schiuma metallica è stata rotta".

Pikul e Hsain hanno guarito tre tipi di danni nei loro esperimenti su campioni su scala centimetrica della loro schiuma di nichel rivestita di polimero:campioni con crepe, campioni che erano stati separati fino a quando non erano collegati da pochi puntoni, e campioni che erano stati tagliati in due.

La guarigione del danno ha richiesto circa quattro ore, e poiché la galvanica agisce su tutto il nichel esposto contemporaneamente, il tempo necessario per guarire il danno è indipendente dalle dimensioni del campione.

Sebbene questo approccio a temperatura ambiente non sia veramente "auto-guarigione" perché richiede una fonte di alimentazione esterna e materie prime, Pikul lo vede in linea con il modo in cui l'autoguarigione avviene nel corpo.

"Penso che la maggior parte delle persone direbbe che l'osso è un materiale autorigenerante, "Pikul dice, "e io penso, in pratica, il nostro materiale è molto simile all'osso. Neanche l'osso è completamente autonomo; ha bisogno di una fonte di energia e sostanze nutritive per guarire, entrambi provengono dal mangiare cibo. Nel nostro sistema, questi funzionano in modo simile al voltaggio e al bagno galvanico."

Anche come l'osso, le aree riparate sono in realtà più forti di quanto non fossero prima di essere danneggiate perché nel sito di guarigione viene cresciuto del nichel extra. Il nuovo nichel, però, riduce l'efficienza di guarigione quando si utilizza ripetutamente questa tecnica. Poiché le aree guarite non hanno più un rivestimento polimerico, il nichel continuerebbe ad accumularsi lì se un altro pezzo del campione dovesse essere guarito.

Pikul spera che ulteriori ricerche su questa tecnica aumenteranno le somiglianze con la guarigione biologica.

"Il fluido elettrolitico che permette la guarigione può essere integrato nelle schiume metalliche in modo che assomigli al sangue nel nostro corpo, " dice Pikul. "Una volta che la schiuma è fratturata, l'elettrolita circonderà l'area fratturata e guarirà il metallo dopo l'applicazione di una tensione esterna, che può provenire da una batteria."

La schiuma potrebbe essere rimarginata senza dover rimuovere e immergere la parte danneggiata, particolarmente utile se la parte in questione è una portiera di un'auto, braccio robotico, o componente della stazione spaziale.