科学家发现能自我修复的金属

科学家发现能自我修复的金属这一发现是由桑迪亚国家实验室和德克萨斯农工大学的研究小组共同完成的。7月19日，《自然》杂志对他们的研究成果进行了介绍。在这幅桑迪亚国家实验室发现的金属纳米级自愈合艺术效果图中，绿色标记为裂缝形成的位置，然后重新融合在一起。红色箭头表示意外触发这一现象的拉力方向。资料来源：丹-汤普森，桑迪亚国家实验室桑迪亚材料科学家布拉德-博伊斯（BradBoyce）说："亲眼目睹这一切绝对令人震撼。我们已经证实，金属具有内在的自然自愈能力，至少在纳米级疲劳损伤的情况下是如此。"疲劳损伤是机器故障的常见原因。这种损伤表现为由于反复受力或运动而形成的微小裂纹。随着时间的推移，这些裂缝会不断扩大和扩展，直至最终导致设备断裂，用科学术语来说就是失效。博伊斯和他的团队看到消失的裂缝就是这些微小但后果严重的裂缝之一--以纳米为单位。博伊斯说："从我们电子设备的焊点到汽车的发动机，再到我们驶过的桥梁，这些结构经常会由于循环加载导致裂纹产生并最终断裂，从而发生不可预知的故障。当它们发生故障时，我们不得不面对更换成本、时间损失，在某些情况下甚至会造成人员伤亡。这些故障对美国的经济影响每年以千亿美元计。"桑迪亚国家实验室研究员RyanSchoell使用由KhalidHattar、DanBufford和ChrisBarr开发的专业透射电子显微镜技术研究纳米级疲劳裂纹。资料来源：克雷格-弗里茨，桑迪亚国家实验室虽然科学家们已经开发出了一些自修复材料，主要是塑料，但自修复金属的概念在很大程度上还停留在科幻小说的范畴。"金属的裂缝只会越来越大，而不会越来越小。甚至我们用来描述裂纹生长的一些基本方程也排除了这种愈合过程的可能性，"博伊斯说。然而，这一由来已久的观念在2013年开始受到MichaelDemkowicz的挑战，他当时是麻省理工学院材料科学与工程系的助理教授，现在是德克萨斯农工大学的全职教授。Demkowicz发表了一项基于计算机模拟的新理论，认为在特定条件下，金属应该能够焊接封闭磨损造成的裂缝。Demkowicz的理论是在桑迪亚国家实验室和洛斯阿拉莫斯国家实验室联合运营的能源部用户设施"集成纳米技术中心"无意中得到证实的。。现任田纳西大学诺克斯维尔分校副教授的哈立德-哈塔尔（KhalidHattar）和现供职于能源部核能办公室的克里斯-巴尔（ChrisBarr）在发现这一现象时正在桑迪亚进行实验。他们当时只是想评估裂缝是如何在一块纳米级的铂金中形成和扩散的，他们使用了自己开发的一种特殊电子显微镜技术，以每秒200次的速度反复拉扯金属的两端。令人惊讶的是，实验进行了大约40分钟后，破坏的方向发生了逆转。裂缝的一端重新融合在一起，就像在重走自己的路一样，没有留下任何痕迹。随着时间的推移，裂缝沿着不同的方向重新生长。了解这一理论的博伊斯与Demkowicz分享了他的发现。随后，这位教授在计算机模型上重现了实验，证实在桑迪亚看到的现象与他多年前的理论相同。他们的工作得到了能源部基础能源科学科学办公室、国家核安全局和国家科学基金会的支持。关于自修复过程还有很多未知数，包括它是否会成为制造环境中的实用工具。博伊斯说："这些发现在多大程度上具有普遍性将成为广泛研究的课题。我们展示了纳米晶金属在真空中发生的这种情况。但我们不知道这是否也能在空气中的传统金属中诱发。尽管存在种种未知，但这一发现仍然是材料科学前沿的一次飞跃。"Demkowicz说："我希望这一发现能够鼓励材料研究人员考虑，在适当的情况下，材料可以做出我们意想不到的事情。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1372193.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1372193.htm

科学家震惊于纳米晶金属的自愈能力

科学家震惊于纳米晶金属的自愈能力在桑迪亚国家实验室（SandiaNationalLaboratories）发现的纳米级金属自愈合艺术效果图中，绿色标示出裂缝形成的位置，然后重新融合在一起。红色箭头表示意外触发这一现象的拉力方向。资料来源：丹-汤普森，桑迪亚国家实验室桑迪亚国家实验室的一组研究人员在对纳米晶金属进行断裂实验时，发现了这一令人难以置信的现象。研究结果最近发表在《自然》杂志上。在这一发现之前，人们有理由认为自愈金属只能出现在科幻小说中。德克萨斯农工大学材料科学与工程系教授、最近这项研究的共同作者MichaelDemkowicz博士却不这么认为。十年前，在麻省理工学院材料科学与工程系担任助理教授时，Demkowicz和他的学生就预测到了金属的自愈性。"我们的出发点并不是要找到自愈。我的学生GuoxiangXu当时正在做断裂模拟，"Demkowicz说。"我们无意中在他的一个模拟中观察到了自发愈合，于是决定继续跟进"。当时，就像现在一样，2013年的结果令人惊讶。Demkowicz补充说，他、他的学生和同事都对最初的理论有些怀疑。不过，他的模拟模型在随后的几年里被其他研究人员多次复制和扩展。Demkowicz说："很明显，模拟并没有错误，因为其他人在他们的建模工作中也看到了同样的效果。"2013年的模型和最近的实验都使用了纳米晶金属，这种金属的晶体结构或晶粒大小以纳米级（百万分之一毫米）测量。Demkowicz表示，虽然这种金属在工程应用中并不广泛，但大多数金属都能以这种形式制造。他进一步解释说，纳米晶金属使研究自愈合变得更容易，因为它们的晶粒尺寸小，可以产生更多的微结构特征，即使是微小的裂缝也能与之相互作用。这两项研究都发现，晶界这一特征会影响裂纹愈合，具体取决于晶界相对于裂纹的迁移方向。Demkowicz补充说，这些特征在许多金属和合金中都很常见，而且可以加以控制。Demkowicz说："当前工作的主要影响是将最初的理论预测'从绘图板上移开'，并证明它在现实中发生了。我们还没有真正开始优化自愈微结构。找出促进自愈合的最佳改变是未来工作的一项具有挑战性的任务。"这项工作的潜在应用可能会有很大不同。Demkowicz认为，在晶粒尺寸较大的传统金属中也有可能实现自愈，但还需要未来的研究。2013年的理论和最近的实验都有一个共同的条件，那就是两者都是在真空环境中进行的，完全没有外来物质。这些外来物质可能会干扰裂纹表面的粘合或冷焊能力。即使存在这种限制，但仍有可能应用于航天技术或不接触外界空气的内部裂缝。经过十年的努力，Demkowicz的理论在桑迪亚国家实验室的实验中取得了成果。在目前的研究中，Demkowicz能够验证最近观察到的现象是否与他最初的模拟模型相符。"这是一个了不起的实验。不过，我认为这也是理论上的一大胜利，"Demkowicz说。"材料的复杂性往往使我们难以自信地预测新现象。这一发现让我看到了希望，我们的材料行为理论模型正走在正确的道路上。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1389121.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1389121.htm

科学家发现中风后刺激大脑自我修复的新机制

科学家发现中风后刺激大脑自我修复的新机制缺血性中风后，人们通常可以通过强化康复治疗恢复部分丧失的脑功能，这表明大脑在受伤后可以自我恢复。但直到现在，神经修复的内在机制仍然难以捉摸。众所周知，组织损伤后产生的各种脂质可以调节损伤后的炎症，因此东京医科齿科大学的研究人员将重点放在了这一点上。研究的通讯作者TakashiShichita说："有证据表明，组织损伤后会产生更多的脂质，并有助于调节炎症。我们研究了缺血性中风后小鼠体内脂质代谢物产生的变化。有趣的是，一种名为二氢-γ-亚麻酸（DGLA）的特殊脂肪酸及其衍生物的水平在中风后有所增加。"DGLA属于ω-6脂肪酸家族，具有已知的抗炎特性。研究人员深入研究后发现，PLA2GE2（磷脂酶A2组IIE）调节着DGLA的释放。通过操纵小鼠体内PLA2GE2的表达，他们发现它会影响脑细胞的恢复。缺乏这种酶会导致炎症加剧、神经元修复刺激因子表达降低以及组织损失增加。这一发现使研究人员进一步深入大脑修复途径。"当我们观察缺乏PLA2GE2的小鼠体内表达的基因时，我们发现一种叫做肽基精氨酸脱氨酶4（PADI4）的蛋白质水平很低，"该研究的第一作者AkariNakamura说。"PADI4调节[参与大脑修复的基因]的转录和炎症反应。值得注意的是，在小鼠体内表达PADI4限制了缺血性中风后组织损伤和炎症的程度！"从DGLA到PLA2GE2再到PADI4，研究人员绘制出了参与大脑修复的整个信号通路。虽然这项研究使用的是小鼠模型，但研究人员发现，在人类中，中风受损部位周围的神经元会表达PLA2GE2和PADI4，这表明我们体内也存在这种恢复途径。研究人员说，发现触发大脑修复的新机制可能会开发出促进PADI4作用的疗法，加快缺血性中风后的恢复。DGLA存在于植物油、谷物、大多数肉类和奶制品中，摄入后会在大脑中积累，这表明饮食疗法有可能预防中风后出现的神经损伤。目前，ω-3脂肪酸二十碳五烯酸（EPA）和二十二碳六烯酸（DHA）是唯一因其抗炎特性和降低心脏病风险的能力而得到推广的营养补充剂。"虽然还需要进行详细的临床研究，但我们的发现可能会改变目前认为只有EPA或DHA才有益于预防动脉粥样硬化和血管疾病的模式"。这项研究发表在《神经元》（Neuron）杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1376349.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1376349.htm

科学家发现帮助古罗马混凝土自我修复的秘密成分

科学家发现帮助古罗马混凝土自我修复的秘密成分混凝土是世界上最常用的建筑材料，但它并非不受损害。天气和压力会导致微小的裂缝，这些裂缝会发展成更大的裂缝，最终威胁到整个结构的完整性。这可能需要昂贵的维护或更换，以防止灾难性的损坏。相比之下，古罗马结构经受了两千多年的时间考验。为了找出原因，科学家们长期以来一直在显微镜下检查材料的样本，以研究其成分并发现赋予这种强度的成分。由意大利一个特定地区的火山灰制成的Pozzolanic材料，具有突出的特点。石灰也是如此，在以前的研究中发现，这有助于混凝土在码头等海洋环境中随着时间的推移变得更加坚固。一种常见的包含物--毫米大小的白色矿物块，称为石灰碎块--通常被视为一种副产品而被忽视，但在新的研究中，研究人员发现，它们的存在可能是有原因的。该研究的主要作者AdmirMasic说："这些石灰碎块的存在仅仅归因于低质量控制，这种想法一直困扰着我。如果罗马人为制造一种杰出的建筑材料付出了如此多的努力，遵循所有经过许多世纪优化的详细配方，为什么他们会在确保生产出混合良好的最终产品方面付出如此少的努力？这个故事一定有更多的内容。"左图：意大利Privernum考古遗址，本研究在那里收集了古代混凝土样品。右图。其中一个样品中的成分的假色图，其中有一个大的钙包合物（红色）MIT研究小组使用了一些成像和化学绘图技术来更仔细地检查石灰碎块，并发现它们是由碳酸钙类型的物质在高温下形成的。这表明它们是通过直接添加（或"热混合"）生石灰制成的，生石灰是一种比古罗马人假定使用的石灰形式更具反应性的形式。"热搅拌的好处是双重的，"Masic说。"首先，当整个混凝土被加热到高温时，它会出现如果只使用消石灰就不可能出现的化学成分，同时产生高温相关的化合物，否则就不会形成。第二，由于所有的反应都加快了，这种温度的提高大大减少了固化和凝固时间，使施工速度大大加快。"但更重要的是，这些石灰碎块在混凝土的自我修复中发挥了积极作用。热搅拌过程使夹杂物变脆，因此，当混凝土中形成微小的裂缝时，它们会比周围的材料更容易穿过石灰块。当水进入裂缝时，就会与石灰发生反应，形成一种溶液，重新硬化成碳酸钙并堵塞裂缝。它还可以与沸石材料反应，进一步加强混凝土本身。因此，研究小组说，这些石灰碎块不是不需要的副产品，而是有其存在的理由。这种自我修复机制可能是古罗马混凝土结构长寿的一个主要因素。为了测试这一假设，研究人员制作了古代和现代混凝土的热混合样本，然后将它们敲碎，并让水长时间流经裂缝。两周后，古代混凝土样本的裂缝已经愈合，阻止了水的流动。另一方面，现代材料则完全没有愈合。研究小组说，这一发现不仅有助于我们了解古代工程的秘密，而且也可以帮助改进现代混凝土配方。为此，研究人员正在采取步骤使这种材料商业化。该研究发表在《科学进展》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1338305.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1338305.htm

新发现显示拉伸裂纹的运动速度可接近音速

新发现显示拉伸裂纹的运动速度可接近音速以一半音速运动的经典裂纹。资料来源：希伯来大学王萌传统上，人们观察到脆性材料是通过裂纹的快速扩展而失效的。经典断裂力学描述了拉伸裂纹的运动，这些裂纹在其顶端的局部区域内释放弹性能量，将其速度限制在瑞利波速度（CR）。然而，希伯来大学研究人员最近的研究结果表明，这种理解发生了范式转变。研究小组在实验中使用了脆性新胡克干材料，发现了"超剪切"拉伸裂纹的出现，这种裂纹会顺利加速，超过经典的雷利波速度极限。令人惊讶的是，这些裂纹的速度也超过了剪切波速度（cS）。在某些情况下，这些超剪切裂纹的速度接近扩张波的速度，呈现出经典断裂力学以前未观察到的现象。超音速裂缝产生的冲击波--类似于音爆。资料来源：希伯来大学王萌这一发现最引人注目的一点是，超剪切动力学所遵循的原理与指导经典裂缝的原理不同。这种非经典的拉伸断裂模式并不是随机发生的；相反，它是在临界应变水平上被激发的，而临界应变水平取决于材料特性。"这一发现标志着我们对脆性材料断裂过程的理解发生了根本性转变，"该研究的通讯作者JayFineberg教授评论说。"通过证明超剪切拉伸裂纹的存在及其超越传统速度极限的能力，我们为研究断裂力学及其应用开辟了新的途径。"希伯来大学实验室产生超音速实验室震动的实验系统。资料来源：希伯来大学王萌这项研究的意义超出了物理学的范畴。通过证明拉伸裂缝可以超越其经典速度极限，研究人员为重新理解断裂力学铺平了道路。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1375827.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1375827.htm

科学家们发现了一种使陶瓷更坚硬、更耐开裂的方法

科学家们发现了一种使陶瓷更坚硬、更耐开裂的方法一类被称为高熵碳化物的陶瓷样品，这种陶瓷在断裂前可承受更大的力和应力。图片来源：LiezelLabios/加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院陶瓷因其卓越的特性而具有许多优势，包括能够承受极高的温度、抗腐蚀和表面磨损，以及保持轻质外形。这些特性使它们适用于各种应用，如航空航天部件以及发动机和切削工具的保护涂层。然而，脆性一直是它们的弱点。在应力作用下，它们很容易断裂。但现在，研究人员找到了一种解决方案，可以使陶瓷更不易破裂。他们最近在《科学进展》（ScienceAdvances）杂志上发表了他们的研究成果。这项研究由加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授肯尼思-韦奇奥（KennethVecchio）领导，主要研究一类被称为高熵碳化物的陶瓷。这些材料具有高度无序的原子结构，由碳原子与元素周期表第四、第五和第六列中的多种金属元素结合而成。这些金属包括钛、铌和钨等。研究人员发现，提高陶瓷韧性的关键在于使用元素周期表第五和第六列的金属，因为它们的价电子数较多。价电子--驻留在原子最外层并与其他原子结合的电子--被证明是一个关键因素。通过使用价电子数较多的金属，研究人员成功地提高了材料在承受机械负荷和应力时的抗开裂能力。维奇奥说："这些额外的电子之所以重要，是因为它们有效地提高了陶瓷材料的延展性，这意味着陶瓷材料在断裂前可以经历更多的变形，与金属类似。"比较不同价电子浓度的陶瓷在外加应力下的反应的模拟。资料来源：加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院为了更好地理解这种效应，Vecchio的研究小组与瑞典林雪平大学理论物理学教授DavideSangiovanni合作。Sangiovanni进行了计算模拟，而Vecchio的团队则对材料进行了实验制造和测试。研究小组研究了具有五种金属元素不同组合的高熵碳化物。每种组合在材料中都产生了不同的价电子浓度，他们发现了两种高熵碳化物，由于价电子浓度较高，它们在负载或应力作用下表现出优异的抗开裂性。其中一种由金属钒、铌、钽、钼和钨组成。另一种材料则用铬代替了铌。在机械负荷或应力作用下，这些材料能够分别变形或拉伸，类似于金属的行为，而不是陶瓷的典型脆性反应。当这些材料被刺穿或拉开时，键开始断裂，形成原子大小的开口。然后，金属原子周围的附加价电子重组，弥合这些开口，在相邻金属原子之间形成新的键。这种机制保留了开口周围的材料结构，有效地抑制了开口变大并形成裂缝。研究报告的共同作者、加州大学圣地亚哥分校纳米工程博士生凯文-考夫曼（KevinKaufmann）说："我们发现，在纳米尺度上发生了一种潜在的转变，这些键正在重新排列，以将材料固定在一起。这种材料不会直接劈开断裂面，而是会像绳子被拉扯时一样慢慢断裂。这样，材料就能适应正在发生的这种变形，而不会以脆性方式失效"。目前的挑战在于如何扩大这些坚韧陶瓷的生产规模，使其应用于商业领域。这将有助于改变从航空航天部件到生物医学植入物等依赖高性能陶瓷材料的技术。这些陶瓷新发现的韧性也为它们在极端应用中的使用铺平了道路，例如高超音速飞行器的前缘。维奇奥解释说，更坚硬的陶瓷可以作为这些飞行器的前沿防御，保护重要部件免受碎片的撞击，使飞行器在超音速飞行中更好地存活。Vecchio说："通过解决陶瓷长期存在的局限性，我们可以大大扩展陶瓷的用途，并创造出有可能彻底改变我们社会的下一代材料。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1392371.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1392371.htm