El equipo de investigación de Sandia National Laboratories y Texas A&M University describió sus hallazgos hoy en la revista Nature.

« Fue absolutamente impresionante 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 para curarse a sí mismos, al menos en el caso de daño por fatiga a nanoescala », dijo Boyce.

El daño por fatiga 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… ¡chasquido ! Todo el dispositivo se rompe, o en la jerga científica, falla.

La fisura que Boyce y su equipo vieron desaparecer era una de estas pequeñas pero importantes fracturas, medidas en nanómetros.

« Desde las uniones 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 forma impredecible debido a la carga cíclica que conduce al inicio de grietas y, finalmente, a la fractura », dijo 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 científicos han creado algunos materiales autorreparables, en su mayoría plásticos, la noción de un metal autorreparable ha sido en gran parte dominio de la ciencia ficción.

« 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 », dijo Boyce.

Descubrimiento inesperado confirmado por el creador de la teoría

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

El descubrimiento de que su teoría era cierta se produjo inadvertidamente en el Centro de Nanotecnologías Integradas, una instalación para usuarios del Departamento de Energía operada conjuntamente por los laboratorios nacionales Sandia y Los Alamos.

« Ciertamente no lo estábamos buscando », dijo 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. 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, la grieta 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 Demkowicz. 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.

Su trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía, Ciencias Energéticas Básicas; la Administración Nacional de Seguridad Nuclear y la Fundación Nacional de Ciencias.

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 », dijo 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 hallazgo aliente a los investigadores de materiales a considerar que, en las circunstancias adecuadas, los materiales pueden hacer cosas que nunca esperábamos », dijo Demkowicz.

Sandia National Laboratories es un laboratorio multimisión operado por National Technology and Engineering Solutions de Sandia LLC, una subsidiaria de propiedad absoluta de Honeywell International Inc., para la Administración Nacional de Seguridad Nuclear del Departamento de Energ��a de EE. UU. Sandia Labs tiene importantes responsabilidades de investigación y desarrollo en disuasión nuclear, seguridad global, defensa, tecnologías energéticas y competitividad económica, con instalaciones principales en Albuquerque, Nuevo México y Livermore, California.