一塊可以焊接自身裂紋的金屬聽起來像是科幻小說里的概念，但這種自我修復(fù)最近在實驗中被發(fā)現(xiàn)。最近發(fā)表在《自然》雜志的一篇論文，標題是《疲勞裂紋通過冷焊自愈》，報告了一種純金屬材料在受到循環(huán)應(yīng)力時，能夠自動修復(fù)裂紋的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象被稱為冷焊自愈，它是由裂紋兩側(cè)的金屬原子之間的吸引力和晶界遷移共同作用導(dǎo)致的。

什么是疲勞裂紋呢？疲勞裂紋是指材料在反復(fù)受到應(yīng)力時產(chǎn)生的微小裂縫。這些裂縫會隨著時間和應(yīng)力的增加而擴展，最終導(dǎo)致材料的斷裂。疲勞是一種很常見的金屬失效模式，它會影響金屬的性能和壽命。比如，在飛機、火車、橋梁等結(jié)構(gòu)中，如果出現(xiàn)了疲勞裂紋，就會造成嚴重的安全隱患。因此，防止或修復(fù)疲勞裂紋是工程領(lǐng)域中一個重要而困難的問題。

目前，修復(fù)疲勞裂紋的主要方法是使用外部能量源，比如電流、激光、超聲波等，來加熱或振動材料，使其重新連接或填補裂縫。然而，這些方法都需要人工干預(yù)和額外的設(shè)備，而且可能會改變材料的性能或造成其他損傷。

那么，有沒有一種方法可以讓材料自己修復(fù)疲勞裂紋呢？科學家們在這篇論文中給出了肯定的答案。他們發(fā)現(xiàn)，在某些條件下，純金屬材料可以通過冷焊來實現(xiàn)自愈。冷焊是指兩個金屬表面在沒有外部加熱或壓力的情況下，僅憑原子間的吸引力而粘合在一起的過程。冷焊通常需要兩個金屬表面非常干凈、平整和貼合緊密才能發(fā)生。

科學家們使用了一種特殊的實驗裝置，來模擬金屬材料在循環(huán)應(yīng)力下產(chǎn)生和擴展疲勞裂紋的過程。他們觀察到，在某些應(yīng)力幅度和頻率下，疲勞裂紋不僅停止擴展，甚至開始收縮和消失。他們利用高分辨率電子顯微鏡和原子探針等先進技術(shù)，分析了材料表面和內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化。他們發(fā)現(xiàn)，在冷焊自愈過程中，有兩個關(guān)鍵因素起作用：一是應(yīng)力狀態(tài)，二是晶界遷移。

首先，應(yīng)力狀態(tài)決定了裂紋兩側(cè)是否能夠貼合緊密。當應(yīng)力幅度較低時，裂紋兩側(cè)會形成一個閉合狀態(tài)，使得原子間的吸引力得以發(fā)揮作用。當應(yīng)力頻率較高時，裂紋兩側(cè)會形成一個振動狀態(tài)，使得原子間的接觸時間增加，從而增加冷焊的可能性。當應(yīng)力幅度和頻率都不適宜時，裂紋兩側(cè)會形成一個張開狀態(tài)，使得原子間的距離過大，無法發(fā)生冷焊。

其次，晶界遷移是指晶粒之間的界面在外力作用下發(fā)生移動的現(xiàn)象。晶界遷移可以使裂紋兩側(cè)的金屬原子重新排列和連接，從而修復(fù)裂縫。晶界遷移的速度取決于材料的溫度、應(yīng)力和晶粒大小等因素。科學家們發(fā)現(xiàn)，在冷焊自愈過程中，晶界遷移主要是由應(yīng)力驅(qū)動的，而不是由溫度驅(qū)動的。這意味著，即使在室溫下，也可以實現(xiàn)晶界遷移和冷焊自愈。

科學家們還發(fā)現(xiàn)，冷焊自愈不僅可以發(fā)生在單一的金屬材料中，比如銅、鋁、鎳等，也可以發(fā)生在不同的金屬材料之間，比如銅-鋁、銅-鎳等。這說明，冷焊自愈是一種普遍的現(xiàn)象，而不是一種特殊的情況。

這篇論文的意義在于，它揭示了一種新的、有效的、低成本的、環(huán)保的修復(fù)疲勞裂紋的方法。它為設(shè)計和制造具有自愈能力的金屬結(jié)構(gòu)提供了新的思路和可能性。它也為理解和控制金屬材料在復(fù)雜環(huán)境下的行為提供了新的知識和工具。