Las grietas microscópicas en el metal pueden curarse espontáneamente

Las grietas microscópicas en los metales pueden curarse por sí solas, lo que sugiere que algún día las máquinas autorreparadoras podrían revertir los daños que sufren, revela un nuevo estudio.

Cuando las piezas metálicas de las máquinas se exponen repetidamente a tensiones, se forman grietas microscópicas que crecen y se extienden con el tiempo hasta que las piezas se rompen. Esta fatiga es responsable de hasta el 90 por ciento de todas las averías en estructuras metálicas, a menudo de forma catastrófica e impredecible.

Investigaciones anteriores investigaron metales que podían repararse a sí mismos después de aplicar calor para activar componentes curativos latentes. Ahora los científicos han descubierto que las grietas microscópicas en el metal pueden desaparecer por sí solas.

"Este descubrimiento puede eventualmente conducir a nuevas estrategias para mitigar el agrietamiento por fatiga en los metales", dice el coautor principal del estudio Brad Boyce, científico de materiales del Centro de Nanotecnologías Integradas de Sandia National Laboratories en Albuquerque, Nuevo México.

En el nuevo estudio, los investigadores de Sandia analizaban originalmente cómo se formaban y extendían las grietas en trozos de lámina de platino de 40 nanómetros de espesor y mantenidos al vacío. Utilizando un nuevo instrumento desarrollado a petición de Sandia que podría caber en un microscopio electrónico, los investigadores tiraron repetidamente de los bordes del metal 200 veces por segundo para tensar la lámina.

Sorprendentemente, aproximadamente 40 minutos después de iniciado el experimento, el daño cambió de rumbo. Un extremo de una grieta se fusionó nuevamente a lo largo de 18 nm de su longitud, sin dejar rastro. Con el tiempo, a medida que avanzaba el experimento, la grieta se volvió a abrir en una dirección diferente.

El secreto detrás de esta autocuración es un fenómeno conocido como soldadura en frío. Los metales se mantienen unidos mediante enlaces metálicos, en los que los electrones más externos de cada átomo pueden moverse libremente por la estructura general del material. Esto significa que cuando dos piezas de metal planas y limpias entran en contacto, pueden fusionarse. La naturaleza de los enlaces metálicos significa que para los átomos y electrones libres en cada pieza de metal, no hay distinción entre las dos piezas y se comportan como si fueran una sola pieza unida.

La soldadura en frío no suele verse en la vida cotidiana porque los metales suelen acabar recubiertos de capas de óxidos y otros contaminantes que impiden que se produzca. Sin embargo, puede provocar problemas en el espacio; por ejemplo, la antena de alta ganancia de la sonda Galileo de la NASA a Júpiter no pudo abrirse por completo en 1991 porque una soldadura en frío fusionó partes de ella.

Los científicos saben que puede ocurrir soldadura en frío cuando se presionan metales entre sí. Sin embargo, en 2013, simulaciones por computadora realizadas por el científico de materiales Michael Demkowicz, entonces en el MIT, y el entonces estudiante graduado Guoqiang Xu sugirieron que la soldadura en frío podría curar grietas microscópicas incluso sin compresión. Los nuevos hallazgos respaldan ese trabajo anterior.

"Me emocionó ver que una predicción tan contraria a la intuición obtuviera validación experimental", dice Demkowicz, ahora en la Universidad Texas A&M en College Station.

Boyce advierte que “esta no fue una gran grieta y no se curó por sí sola por completo. Era una grieta microscópica que se curó sola sólo en la punta de la grieta”.

Aún así, la capacidad del metal para autocurarse incluso una grieta microscópica puede encontrar aplicaciones. "Todo el daño comienza en la nanoescala", dice Demkowicz, coautor principal del nuevo estudio. "Si podemos curar las grietas mientras aún son pequeñas, podemos cortar el daño de raíz".

Los científicos ahora quieren ver si esta autocuración puede ocurrir en el aire en lugar del vacío y en aleaciones como el acero, dice Boyce. En última instancia, les gustaría diseñar materiales que puedan aprovechar intencionadamente este efecto, añade.

Los investigadores detallaron sus hallazgos el 19 de julio en la revista Nature.