Kao inovativni koncept u nauci o materijalima i inženjerstvu, inspiracija za materijale koji se samoisceljuju dolazi od živih organizama koji imaju urođenu sposobnost samoizlečenja. U tom pravcu, potraga za materijalima koji se samoizlečuju generalno je fokusirana na „meke“ materijale kao što su polimeri i hidrogelovi. Za metale u čvrstom stanju, može se intuitivno zamisliti da će bilo koji oblik samoizlečenja biti mnogo teže postići.
Dok je nekoliko prethodnih studija pokazalo ponašanje samoizlečenja u metalima koje manje-više zahteva pomoć spoljašnjih pokretača (npr. zagrevanjem, mehaničkim stimulusom ili zračenjem elektronskim snopom), da li se autonomno samoizlečenje može desiti u metalnim čvrstim materijama bez ikakve spoljne intervencije ostaje naučni kuriozitet.
Sada, u novoj studiji objavljenoj u časopisu Materija, istraživači sa Instituta za fiziku (IOP) Kineske akademije nauka otkrili su da se takav intrinzični i autonomni fenomen samoizlečenja može javiti u nanosmeru srebra (Ag).
Ova studija, koja kombinuje naprednu in situ transmisionu elektronsku mikroskopiju (TEM) sa simulacijama molekularne dinamike (MD), otkriva da Ag nanorazmera može autonomno da se popravi od strukturnih oštećenja, kao što su nanopukotine i nanopore, bez spoljne intervencije.
Ova izuzetna sposobnost se primećuje ne samo na sobnoj temperaturi, već i na hladnim temperaturama od čak 173 K. Primetno, na istoj štetnoj površini, ponovljeni reverzibilni ciklusi samoizlečenja takođe se mogu postići sa istim nivoom efikasnosti.
Eksperimenti su izvedeni unutar TEM atomske rezolucije korišćenjem monokristalnih Ag nanolistova kao uzoraka za testiranje. I nanopore i nanopukotine su namerno proizvedene bušenjem na licu mesta pomoću TEM elektronskih zraka. Da bi se izbegla bilo kakva moguća intervencija u procesu zarastanja, uzorak Ag nanolistova je kasnije držan u stanju „isključenog snopa“ do svakog trenutka za intervalno TEM snimanje.
Kao zanimljiv i možda iznenađujući rezultat, primećeno je da se dve reprezentativne vrste strukturnih oštećenja podvrgavaju brzom samoizlečenju autonomno u roku od nekoliko do desetina minuta, pri čemu su zalečeni regioni savršeno obnavljali kristalnu rešetku Ag sa atomski preciznim redosledom.
Za razliku od Ag, zlato (Au) nije pokazalo slično ponašanje samoizlečenja na sobnoj temperaturi, uprkos činjenici da je Au najrelevantniji element za Ag u periodnom sistemu i dele mnoge sličnosti u fizičkim i hemijskim svojstvima.
Dalji rezultati MD simulacije su reprodukovali eksperimentalna zapažanja, posebno u pogledu razlike u ponašanju zarastanja između Ag i Au. Ono što Ag izdvaja od Au je njegova visoka pokretljivost površinske difuzije, osobina koja se obično ne nalazi u drugim metalnim čvrstim materijama.
Koristeći TEM, istraživači su bili u mogućnosti da na licu mesta prate putanje procesa zarastanja Ag na atomskom nivou. Kombinacijom atomističkog imidžinga i rezultata teorijske simulacije, istraživanje naglašava da je samoizlečenje omogućeno površinski posredovanom samodifuzijom atoma Ag usled neravnoteže hemijskog potencijala usled Gibs-Tomsonovog efekta.
Kada nova struktura oštećenja (bilo nanopora ili nanopukotina) počne da postoji u Ag nanolistu, stvara se konkavno mesto sa negativnom lokalnom zakrivljenošću. Zbog opšte zavisnosti hemijskog potencijala od krivine, konkavno mesto oštećenja će stoga imati manji hemijski potencijal u odnosu na neoštećene oblasti nanoplasta. Ova ugrađena neravnoteža hemijskog potencijala pokreće atome Ag da migriraju i autonomno popravljaju štetu, pokazujući sofisticirani oblik samoodržavanja materijala.
Sposobnost Ag da autonomno samoizleči oštećenja na nanoskali na sobnoj temperaturi i ispod pokazuje obećavajuću mogućnost za razvoj komponenti i uređaja tolerantnih na oštećenja na skali dužine ispod mikrometra.
Možda je još važnije, u širem smislu, ovaj neobičan nalaz na mehaničkom nivou može da pruži vodeći okvir za dublje razumevanje fenomena i koncepata samoizlečenja u metalnim čvrstim materijama uopšte.
