Nanoskaliges Silber weist inhärente Selbstheilungskräfte ohne äußere Einwirkung auf

Als innovatives Konzept in der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik stammen die Ideen für selbstheilende Materialien von lebenden Organismen, die die angeborene Fähigkeit zur Selbstheilung besitzen. In diesem Sinne konzentrierte sich die Suche nach selbstheilenden Materialien im Allgemeinen auf „weiche“ Materialien wie Polymere und Hydrogele. Bei Festkörpermetallen kann man sich intuitiv vorstellen, dass jede Form der Selbstheilung viel schwieriger zu erreichen ist.

Während einige Studien in der Vergangenheit das Selbstheilungsverhalten von Metallen gezeigt haben, das mehr oder weniger die Unterstützung externer Auslöser erfordert (z. B. durch Erhitzung, mechanische Reize oder Bestrahlung mit Elektronenstrahlen), bleibt die Frage, ob die autonome Selbstheilung bei metallischen Festkörpern ohne externes Eingreifen erfolgen kann, eine wissenschaftliche Kuriosität.

Jetzt in einer neuen Studie veröffentlicht In Gegenstandhaben Forscher vom Institut für Physik (IOP) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften entdeckt, dass ein solches intrinsisches und autonomes Selbstheilungsphänomen bei Nano-Silber (Ag) auftreten kann.

Diese Studie, die fortschrittliche In-situ-Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) mit Moleküldynamik-Simulationen (MD) kombiniert, zeigt, dass Nano-Ag strukturelle Schäden wie Nanorisse und Nanoporen selbstständig und ohne externe Eingriffe reparieren kann.

Diese bemerkenswerte Fähigkeit lässt sich nicht nur bei Zimmertemperatur, sondern auch bei eisigen Temperaturen von nur 173 K beobachten. Bemerkenswert ist, dass auf derselben Schadensfläche die wiederholten reversiblen Selbstheilungszyklen mit der gleichen Effizienz erreicht werden können.

Die Experimente wurden in einem TEM mit atomarer Auflösung durchgeführt, wobei einkristalline Ag-Nanoblätter als Testproben verwendet wurden. Sowohl Nanoporen als auch Nanorisse wurden gezielt durch In-situ-Bohren mit einem TEM-Elektronenstrahl erzeugt. Um jegliche mögliche Störung des Heilungsprozesses zu vermeiden, wurde die Ag-Nanoblattprobe anschließend bis zur Intervall-TEM-Bildgebung in einem „Strahl-aus“-Zustand gehalten.

Ein interessantes und vielleicht überraschendes Ergebnis war, dass die beiden repräsentativen Arten struktureller Schäden innerhalb von einigen bis Dutzenden von Minuten eine schnelle, autonome Selbstheilung durchliefen. In den geheilten Bereichen wurde das Kristallgitter des Silbers mit atomar präziser Ordnung perfekt wiederhergestellt.

Im Gegensatz zu Ag zeigte Gold (Au) bei Raumtemperatur kein ähnliches Selbstheilungsverhalten, obwohl Au das wichtigste Element im Periodensystem nach Ag ist und die beiden Elemente viele Ähnlichkeiten in ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften aufweisen.

Weitere MD-Simulationsergebnisse reproduzierten die experimentellen Beobachtungen, insbesondere im Hinblick auf den Unterschied im Heilungsverhalten zwischen Ag und Au. Was Ag von Au unterscheidet, ist seine hohe Mobilität der Oberflächendiffusion, eine Eigenschaft, die bei anderen Metallfeststoffen nicht häufig anzutreffen ist.

Durch den Einsatz von TEM konnten die Forscher die Verläufe des Heilungsprozesses in Ag auf atomarer Ebene vor Ort verfolgen. Mit einer Kombination aus atomistischer Bildgebung und theoretischen Simulationsergebnissen zeigt die Forschung, dass die Selbstheilung durch die oberflächenvermittelte Selbstdiffusion von Ag-Atomen ermöglicht wird, die durch ein chemisches Potenzialungleichgewicht aufgrund des Gibbs-Thomson-Effekts angetrieben wird.

Wenn in einem Ag-Nanoblatt eine Schadensstruktur (entweder Nanopore oder Nanoriss) entsteht, entsteht eine konkave Stelle mit negativer lokaler Krümmung. Aufgrund der allgemeinen Krümmungsabhängigkeit des chemischen Potenzials weist die konkave Schadensstelle im Vergleich zu den unbeschädigten Bereichen des Nanoblatts ein geringeres chemisches Potenzial auf. Dieses eingebaute Ungleichgewicht des chemischen Potenzials veranlasst Ag-Atome, zu wandern und den Schaden autonom zu reparieren, was eine ausgeklügelte Form der Materialselbsterhaltung darstellt.

Die Fähigkeit von Silber, Schäden im Nanobereich bei Raumtemperatur und darunter selbstständig zu heilen, stellt eine vielversprechende Möglichkeit für die Entwicklung schadenstoleranter Komponenten und Geräte im Submikrometerbereich dar.

Vielleicht noch wichtiger ist in einem weiteren Sinne, dass dieser ungewöhnliche Befund auf mechanistischer Ebene einen Rahmen für ein tieferes Verständnis der Selbstheilungsphänomene und -konzepte bei metallischen Festkörpern im Allgemeinen bieten könnte.