Forskare har funnit att en solid oxidskyddande beläggning för metaller kan, vid applicering i tillräckligt tunna lager, deformeras som om det vore en vätska, fylla alla sprickor och luckor när de bildas.

Det tunna beläggningsskiktet bör vara särskilt användbart för att förhindra läckage av små molekyler som kan tränga igenom de flesta material, såsom vätgas som kan användas för att driva bränslecellsbilar, eller det radioaktiva tritium (en tung form av väte) som bildas inuti kärnkraftverkens kärnor.

De flesta metaller, med det anmärkningsvärda undantaget guld, tenderar att oxidera när de utsätts för luft och vatten. Denna reaktion, som producerar rost på järn, smuts på silver, och verdigris på koppar eller mässing, kan försvaga metallen över tid och leda till sprickor eller strukturella fel. Men det finns tre kända element som producerar en oxid som faktiskt kan fungera som en skyddande barriär för att förhindra ytterligare oxidation:aluminiumoxid, kromoxid, och kiseldioxid.

Ju Li, professor i kärnteknik och vetenskap vid MIT och seniorförfattare till ett papper som beskriver det nya fyndet, säger "vi försökte förstå varför aluminiumoxid och kiseldioxid är speciella oxider som ger utmärkt korrosionsbeständighet." Tidningen visas i journalen Nano bokstäver .

Laget, ledd av MIT -doktoranden Yang Yang, använde högspecialiserade instrument för att i detalj observera ytan på metaller belagda med dessa "speciella" oxider för att se vad som händer när de utsätts för en syrgasmiljö och utsätts för stress. Medan de flesta transmissionselektronmikroskop (TEM) kräver att prover studeras i högvakuum, laget använde en modifierad version som kallas en miljö-TEM (E-TEM) som gör att provet kan studeras i närvaro av gaser eller vätskor av intresse. Enheten användes för att studera processen som kan leda till en typ av fel som kallas spänningskorrosionssprickor.

Metaller som är stressade av tryck inuti ett reaktorkärl och utsätts för en miljö med överhettad ånga kan korrodera snabbt om de inte skyddas. Även med ett fast skyddande lager, sprickor kan bildas som gör att syret kan tränga in i den nakna metallytan, där den sedan kan tränga in i gränssnitt mellan metallkornen som utgör ett bulkmetallmaterial, orsakar ytterligare korrosion som kan tränga in djupare och leda till konstruktionsfel. "Vi vill ha en oxid som är vätskeliknande och sprickresistent, "Säger Yang.

Det visar sig att det gamla standby -beläggningsmaterialet, aluminiumoxid, kan ha just det vätskeliknande flödesbeteendet, även vid rumstemperatur, om det är gjort till ett tillräckligt tunt lager, cirka 2 till 3 nanometer (miljarddels meter) tjock.

"Traditionellt, människor tror att metalloxiden skulle vara spröd "och utsatt för sprickbildning, Yang säger, förklarar att ingen hade visat något annat eftersom det är så svårt att observera materialets beteende under realistiska förhållanden. Det är där den specialiserade E-TEM-installationen vid Brookhaven National Laboratory, en av bara cirka 10 sådana enheter i världen, kom till spel. "Ingen hade någonsin observerat hur det deformeras vid rumstemperatur, "Säger Yang.

"För första gången, vi har observerat detta med nästan atomupplösning, "säger Li. Detta tillvägagångssätt visade att ett aluminiumoxidskikt, normalt så sprött att det skulle gå sönder under stress, när det görs extremt tunt är det nästan lika deformerbart som ett jämförbart tunt lager av aluminiummetall - ett lager som är mycket tunnare än aluminiumfolie. När aluminiumoxiden är belagd på en yta av en bulkbit aluminium, det vätskeliknande flödet "håller aluminiumet täckt" med sitt skyddande skikt, Li rapporterar.

Forskarna visade inuti E-TEM att aluminiumet med dess oxidbeläggning kunde sträckas till mer än dubbelt dess längd utan att några sprickor skulle öppna sig, Säger Li. Oxiden "bildar ett mycket enhetligt konformt lager som skyddar ytan, utan korngränser eller sprickor, "även under belastningen av den sträckningen, han säger. Tekniskt, materialet är ett slags glas, men den rör sig som en vätska och täcker ytan helt så länge den är tunn nog.

"Folk kan inte föreställa sig att en metalloxid kan vara seg, "Yang säger, hänvisar till en metalls förmåga att deformeras, som att vara utsträckt till en tunn tråd. Till exempel, safir är en form av exakt samma material, aluminiumoxid, men dess kristallina bulkform gör det till ett mycket starkt men sprött material.

Den självläkande beläggningen kan ha många potentiella tillämpningar, Li säger, noterar fördelen med dess släta, genomgående yta utan sprickor eller korngränser som kan tränga in i materialet.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.