Обыкновенные материалы и их фантастические возможности

Для Майкла Демковича (Michael Demkowicz), адъюнкт-профессора, работающего на кафедре материаловедения и инженерии в Массачусетском технологическом, некоторые из величайших научных тайн и крупных инженерных возможностей кроются в обычных материалах, которые мы встречаем ежедневно: «Конструкционные материалы нередко относят к "низким технологиям". Кого интересует сталь? Кому интересен алюминий? Бетон? Но это, пожалуй, материалы, которые мы меньше всего понимаем».
 
Одна из загадок, имеющих отношение к конструкционными материалам, связана с их разрушением под воздействием коррозии, тепла и радиации — их свойства практически не рассчитаны на долгосрочную эксплуатацию. По словам Демковича, теоретические характеристики этих материалов гораздо выше тех, что они могут предложить нам сегодня. Из этого следует важный практический вывод: нехватка конструкционных материалов с высокими эксплуатационными свойствами ведет к сложностям в разработке энергоэффективной продукции, отказоустойчивой инфраструктуры и экологически чистого транспорта. Демкович считает, что сочетание технологических потребностей и эта научная загадка представляют собой «великую возможность, которая буквально упрашивает, чтоб ее воспользовались».
 
Лаборатория Демковича моделирует физику конструкционных материалов для лучшего понимания процесса снижения их эксплуатационных свойств и — в конце концов — разрушения. Он планирует использовать эту модель для разработки новых материалов, которые смогут сопротивляться радиационному разрушению, трещинообразованию и коррозии. Результатом таких исследований могут быть реактивные двигатели, которые работают более эффективно, мосты и строения, способные выдержать землетрясения, и АЭС с меньшим объемом ядерных отходов.
 
Во всех этих случаях — внешние условия, механическая нагрузка, радиация — аварии в основном связаны с образованием и ростом дефектов в кристаллической структуре металлов. По мнению Демковича, задача состоит в контроле за появлением дефектов: «Сможем ли мы реализовать что-то вроде "дефектной инженерии" для того, чтобы заставить материалы вести себя так, как мы этого захотим?».
 
Идеальное поведение конструкционных материалов — это самовосстановление. Лаборатория Майкла Демковича изучает несколько методов изготовления материалов, которые самостоятельно «излечиваются» от микроскопических разрушений, вызванных внешними условиями и механическим напряжением. Один из потенциально прорывных подходов — удивительное открытие, связанное с исследованиями водородной хрупкости, когда атомы водорода проникают внутрь металлов в кислотных средах. Демкович и аспирант Гоцян Су (Guoqiang Xu) обнаружили, что в нормальных условиях растяжение металла скорее стягивает микротрещины, чем увеличивает их.
 
Другой метод имеет отношение к гелиевой хрупкости, которая возникает, когда металлы подвергаются воздействию излучений. В лаборатории Демковича разрабатываются металлы, которые спонтанно формируют в своей структуре микроканалы в присутствии внедренных атомов гелия — такие каналы позволяют гелию улетучиться до того, как в структуре материала начинают образовываться мелкие пузырьки, ослабляющие металл.
 
Тесная связь между фундаментальными исследованиями в области материаловедения и соответствующими технологиями очевидна. Демкович и Сю опубликовали свою статью о залечивании микротрещин в журнале, посвященном современной физике, а не материаловедению, чтобы подчеркнуть фундаментальность сделанного ими открытия.
 
Попытка создания самовосстанавливающиеся материалы — лишь один из примеров технологических инноваций, связанных с фундаментальными исследованиями. По словам Демковича, с учетом многочисленных возможностей для проведения фундаментальных исследований в области конструкционных материалов, мы скоро увидим много нового: «В наших экспериментах я постоянно вижу подтверждения этого. Мы открываем что-то новое и неожиданное, что помогает нам понимать материалы лучше. А идея как применить новое знание, никогда не задерживается».