Para 6, 000 años, los humanos han estado haciendo cosas con metal porque es fuerte y resistente; se requiere mucha energía para dañarlo. La otra cara de esta propiedad es que se requiere mucha energía para reparar ese daño. Típicamente, el proceso de reparación consiste en fundir el metal con sopletes de soldadura que pueden llegar a 6, 300 ° F.

Ahora, por primera vez, Los ingenieros de Penn han desarrollado una forma de reparar el metal a temperatura ambiente. Llaman a su técnica "curación" debido a su similitud con la forma en que curan los huesos, contratación de materia prima y energía de una fuente externa.

El estudio fue realizado por James Pikul, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecánica Aplicada y Zakaria Hsain, un estudiante de posgrado en su laboratorio.

Fue publicado en la revista Materiales funcionales avanzados .

Más allá de los costos de energía asociados con el proceso actual de reparación del metal fundiéndolo a una forma más flexible, hay algunos componentes metálicos donde tal estrategia de reparación ni siquiera es una opción. Por ejemplo, la fusión elimina la intrincada estructura interna de las espumas metálicas, que son metales hechos con bolsas internas de aire. Esta disposición de puntales y huecos reduce el peso del material mientras mantiene su resistencia general.

Mientras explora formas de reparar tales metales porosos, Pikul y Hsain observaron los materiales de "autocuración" existentes, que generalmente están hechos de polímeros y plásticos relativamente blandos.

"La forma en que la gente se autocura hoy es impregnando estos polímeros con diferentes sustancias químicas que, cuando ese polímero se rompe, se sueltan y se mezclan como epoxi, pegar el material nuevamente, "Dice Pikul." Ese enfoque funciona para los polímeros porque los polímeros pueden fluir y son relativamente fáciles de remodelar a temperatura ambiente, pero eso significa que tienen una fuerza limitada como resultado ".

Para curar espumas metálicas, que generalmente tienen mejores propiedades estructurales que los polímeros, Pikul y Hsain empezaron por encontrar una manera de "sentir" dónde habían sido dañados. En lugar de encapsular productos químicos adicionales utilizados en la reparación, los investigadores se dieron cuenta de que podían utilizar la rotura de una capa de polímero como una especie de señal química.

Pikul y Hsain utilizaron la deposición de vapor químico para cubrir uniformemente cada puntal de la espuma de níquel con una capa de parileno D, un polímero químicamente inerte y elástico. Debido a que la tolerancia al daño de este material es ligeramente menor que la del níquel, se rompe primero cuando la muestra está dañada, revelando el metal debajo. Luego, los investigadores pudieron usar galvanoplastia para construir nuevos puntales de níquel solo en el níquel expuesto donde fueran necesarios.

La galvanoplastia es una energía relativamente baja, técnica a temperatura ambiente, Se usa más comúnmente para agregar una capa de cromo a las piezas de automóviles o de oro a las joyas. En el ejemplo anterior, Se coloca una llanta de acero en un baño de electrolito líquido que contiene iones de cromo. Cuando se aplica un voltaje, Los iones cercanos al acero reaccionan y forman una capa uniforme de cromo metálico sobre el acero.

"A diferencia de los polímeros, los metales no fluyen a temperatura ambiente, "Dice Pikul." Lo bueno de la electroquímica es que los iones metálicos pueden moverse fácilmente a través del electrolito líquido. Luego usamos la electroquímica para convertir los iones en metal sólido. El polímero actúa como una máscara de litografía y solo permite que los iones se conviertan en metal donde se rompió la espuma de metal ".

Pikul y Hsain curaron tres tipos de daños en sus experimentos en muestras a escala de centímetros de su espuma de níquel recubierta de polímero:muestras con grietas, muestras que se habían separado hasta que estaban conectadas por unos pocos puntales, y muestras que se habían dividido en dos.

La curación del daño tardó unas cuatro horas, y debido a que la galvanoplastia actúa sobre todo el níquel expuesto a la vez, el tiempo que se tarda en curar el daño es independiente del tamaño de la muestra.

Si bien este enfoque de temperatura ambiente no es realmente "autorreparable" porque requiere una fuente de energía externa y materias primas, Pikul ve que está en consonancia con la forma en que se produce la autocuración en el cuerpo.

"Creo que la mayoría de la gente diría que el hueso es un material autocurativo, "Pikul dice, "y yo pienso, en la práctica, nuestro material es muy similar al hueso. El hueso tampoco es completamente autónomo; necesita una fuente de energía y nutrientes para sanar, ambos provienen de comer alimentos. En nuestro sistema, estos funcionan de manera similar al voltaje y al baño de galvanoplastia ".

También como hueso, las áreas reparadas son en realidad más fuertes de lo que eran antes de que fueran dañadas porque se cultiva níquel adicional en el sitio de curación. El nuevo níquel, sin embargo, reduce la eficacia de curación cuando se utiliza repetidamente esta técnica. Debido a que las áreas curadas ya no tienen un recubrimiento de polímero, el níquel continuaría acumulándose allí si otra parte de la muestra necesita ser curada.

Pikul espera que una mayor investigación sobre esta técnica aumente las similitudes con la curación biológica.

"El líquido electrolítico que permite la curación puede integrarse en las espumas metálicas para que se asemeje a la sangre en nuestro cuerpo, "Dice Pikul." Una vez que se fractura la espuma, el electrolito rodeará el área fracturada y curará el metal después de la aplicación de un voltaje externo, que puede ser de una batería ".

La espuma se puede curar sin tener que quitar y sumergir la parte dañada, lo que es particularmente útil si la parte en cuestión es la puerta de un automóvil. brazo robotico, o componente de la estación espacial.