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6000年来，人类一直用金属制造东西，因为它坚固而坚韧; 需要很多能量来破坏它。这个属性的另一面是需要很多能量才能修复这种伤害。通常，修复过程涉及使用可达到6,300°F的焊炬熔化金属。
现在，Penn Engineers第一次开发出一种在室温下修复金属的方法。他们称他们的技术“愈合”，因为它与骨骼愈合的方式相似，从外部来源招募原材料和能量。
该研究由机械工程和应用力学系助理教授James Pikul和他实验室研究生Zakaria Hsain进行。
它发表在“ 高级功能材料 ”杂志上。
除了当前通过将金属熔化成更柔韧的形状来修复金属的能量成本之外，还有一些金属部件，这种修复策略甚至都不是一种选择。例如，熔化去除金属泡沫的复杂内部结构，金属泡沫是由内部空气袋制成的金属。支柱和间隙的这种布置减少了材料的重量，同时保持了其整体强度。
在探索修复这种多孔金属的方法时，Pikul和Hsain研究了现有的“自我修复”材料，这些材料通常由相对柔软的聚合物和塑料制成。
“人们今天自我修复的方式是用不同的化学物质浸渍这些聚合物，当聚合物破裂时，释放并像环氧树脂一样混合，将材料粘合在一起，”Pikul说。“这种方法适用于聚合物，因为聚合物可以流动并且在室温下相对容易重塑，但这意味着它们的强度有限。”
为了治愈通常比聚合物具有更好结构性能的金属泡沫，Pikul和Hsain开始寻找一种方法让他们“感知”它们被损坏的地方。研究人员意识到他们可以使用聚合物层的断裂作为一种化学信号，而不是封装用于修复的其他化学物质。
Pikul和Hsain使用化学气相沉积法，用一层化学惰性和弹性聚合物Parylene D均匀涂覆镍泡沫的每个支柱。由于这种材料的损伤容限略低于镍的损坏容差，因此当样品损坏时会先破坏，从而露出下面的金属。然后，研究人员可以使用电镀仅在需要它们的裸露镍上建立新的镍支柱。
研究人员将破碎的样品放入电镀槽中。镍离子通过金属泡沫内的开放结构传输，但仅在聚合物层被破坏的地方“粘住”。图片来源：宾夕法尼亚大学
电镀是一种相对低能量的室温技术，最常用于在汽车零件上添加一层铬或在珠宝上添加金。在前一示例中，钢轮辋放置在含有铬离子的液体电解质浴中。当施加电压时，钢附近的离子反应并在钢上形成均匀的铬金属涂层。
“与聚合物不同，金属不会在室温下流动，”Pikul说。“电化学的好处是金属离子很容易穿过液体电解质。然后我们用电化学将离子转化为固体金属。聚合物就像一个光刻掩模，只允许离子变成金属泡沫的金属坏了。”
Pikul和Hsain在他们的聚合物涂层镍泡沫的厘米级样品的实验中治愈了三种类型的损伤：具有裂缝的样品，被拉开的样品直到它们仅通过几个支柱连接，以及已经切割的样品成两半。
愈合损坏需要大约四个小时，并且由于电镀同时作用于所有暴露的镍，因此修复损伤所需的时间与样本的大小无关。
虽然这种室温方法不是真正的“自我修复”，因为它需要外部电源和原材料，但Pikul认为它与身体自我修复的方式一致。
“我认为大多数人会说骨头是一种自我修复的材料，”Pikul说，“我认为，在实践中，我们的材料与骨骼非常相似。骨骼也不是完全独立的;它需要能量来源，营养成分来自食物。在我们的系统中，这些营养成分与电压和电镀浴类似。“
与骨骼一样，修复区域实际上比它们受损之前更强，因为在愈合部位生长了额外的镍。然而，当重复使用这种技术时，新镍会降低愈合效率。因为愈合区域不再具有聚合物涂层，所以如果另一块样品需要愈合，则镍会继续积聚。
Pikul希望进一步研究这种技术将增加与生物治疗的相似性。
“允许愈合的电解液可以整合到金属泡沫中，使其类似于我们体内的血液，”Pikul说。“一旦泡沫破裂，电解质将围绕断裂区域并在施加外部电压后修复金属，外部电压可以来自电池。”
泡沫可以在不必移除和浸没受损部件的情况下愈合 - 如果所涉及的部件是车门，机械臂或空间站部件，则特别有用。