Materialwissenschaft: Metall kann sich selbst heilen

US-Forscher haben zu ihrer eigenen Überraschung einen Mechanismus entdeckt, der bewirkt, dass ein Riss in einem Metall sich schließt statt sich zu vergrößern. Die Entdeckung könnte sich selbst heilende Materialien ermöglichen.

Artikel veröffentlicht am 10. Oktober 2013, 18:07 Uhr, Werner Pluta

Molekularstruktur eines Metalls mit Riss: Spannungsfeld mit Umkehrwirkung (Bild: MIT/Screenshot: Golem.de)

US-Forscher haben herausgefunden, dass sich Risse in einem Metall unter gewissen Bedingungen wieder zusammenfügen. Dieser Mechanismus könnte selbstheilende Materialien ermöglichen, schreiben die Forscher in der Fachzeitschrift Physical Review Letters.

Die Forscher vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) setzten ein Stück Metall mit einem kleinen Riss einem Druck aus. Zu ihrer Überraschung habe sich der Riss nicht weiter vergrößert, sondern sich geschlossen, berichten sie. "Wir mussten uns das genau ansehen", erzählt Michael Demkowicz, Materialwissenschaftler am MIT. "Zuerst stellten wir sicher, dass wirklich nichts falsch war. Die nächste Frage war: 'Weshalb passiert das?'"

Computermodell erstellt

Die Lösung lag in der Art und Weise, wie Korngrenzen mit Rissen in der kristallinen Mikrostruktur eines Metalls interagieren. Die Forscher erstellten ein Computermodell dieser Mikrostruktur und fanden heraus, dass es einen Mechanismus gibt, der bewirkt, dass sich Risse unter Belastung schließen.

Die meisten Metalle bestehen aus kristallinen Körnern, deren Größe und Ausrichtung die Eigenschaften des Metalls beeinflussen können. Unter bestimmten Umständen, so fanden Demkowicz und sein Kollege Guoqiang Xu heraus, verändert Druck die Mikrostrukturen: "Er bringt die Korngrenzen dazu zu wandern. Diese Korngrenzenwanderung ist der Schlüssel zum Schließen des Risses", sagt Demkowicz.

Auswirkungen umkehren

Das Phänomen trete nur unter bestimmten Umständen auf, bei sogenannten Disklinationen. Das ist ein Defekt, der nur ein Stück in ein Korn hineinragt, aber nicht ganz hindurchgeht. An einer solchen Stelle trete ein Spannungsfeld auf, das die Auswirkung einer Belastung umkehre, erklärt Demkowicz: Würden die beiden Seiten eines Risses auseinandergezogen, öffne dieser sich nicht weiter, sondern schließe sich stattdessen.

Die Forscher wollen jetzt herausfinden, wie sich Metalllegierungen so erzeugen lassen, dass sich Risse unter den Belastungen, die in dem Material normalerweise auftreten, wieder schließen. Das könnte Schäden durch Materialermüdung in Bauteilen von Flugzeugen, Ölbohrstellen oder anderen Industrieanlagen verhindern und deren Lebensdauer verlängern.