Oxidation kan försämra metallers egenskaper och funktionalitet. Emellertid upptäckte ett forskarlag som leds av forskare från City University of Hong Kong (CityU) nyligen att kraftigt oxiderade nanorör av metalliskt glas kan uppnå en ultrahög återhämtningsbar elastisk belastning, vilket överträffar de flesta konventionella superelastiska metaller. De upptäckte också de fysiska mekanismerna som ligger till grund för denna superelasticitet.

Deras upptäckt innebär att oxidation i lågdimensionellt metalliskt glas kan resultera i unika egenskaper för applikationer i sensorer, medicinsk utrustning och andra nanoenheter. Resultaten publicerades i Nature Materials under titeln "Oxidationsinducerad superelasticitet i nanorör av metalliskt glas."

På senare år har de funktionella och mekaniska egenskaperna hos lågdimensionella metaller, inklusive nanopartiklar, nanorör och nanoark, uppmärksammats för deras potentiella tillämpningar i småskaliga enheter, såsom sensorer, nanorobotar och metamaterial. De flesta metaller är dock elektrokemiskt aktiva och känsliga för oxidation i omgivande miljöer, vilket ofta försämrar deras egenskaper och funktionalitet.

"Metalliska nanomaterial har ett högt förhållande mellan yta och volym, som kan vara upp till 10 ⁸ m ^-1 . Så i princip förväntas de vara särskilt benägna att oxidera", säger professor Yang Yong, vid institutionen för maskinteknik vid CityU, som ledde forskargruppen tillsammans med sina medarbetare.

"För att använda lågdimensionella metaller för att utveckla nästa generations enheter och metamaterial måste vi noggrant förstå de negativa effekterna av oxidation på egenskaperna hos dessa nanometaller och sedan hitta ett sätt att övervinna dem."

Därför undersökte professor Yang och hans team oxidation i nanometaller, och i skarp kontrast till deras förväntningar fann de att kraftigt oxiderade nanorör och nanoskivor av metalliskt glas kan uppnå en ultrahög återhämtningsbar elastisk töjning på upp till cirka 14 % vid rumstemperatur, vilket överträffar bulk metallglas, nanotrådar av metalliskt glas och många andra superelastiska metaller.

De tillverkade nanorör av metall i glas med en genomsnittlig väggtjocklek på bara 20 nm och tillverkade nanoskivor av olika substrat, såsom natriumklorid, polyvinylalkohol och konventionella fotoresistsubstrat, med olika nivåer av syrekoncentration.

De genomförde sedan 3D-atomsondstomografi (APT) och mätningar av elektronenergiförlustspektroskopi. I resultaten spreds oxider i de metalliska glasnanorören och nanoskivorna, till skillnad från konventionella bulkmetaller, där ett fast oxidskikt bildas på ytan. När syrekoncentrationen i proverna ökade på grund av metall-substratreaktioner, bildades anslutna och perkolerande oxidnätverk inuti nanorören och nanoskivan.

In-situ mikrokompressionsmätningar avslöjade också att de kraftigt oxiderade nanorören och nanoskivorna av metalliskt glas uppvisade en återhämtningsbar töjning på 10%–20%, vilket var flera gånger mer än för de flesta konventionella superelastiska metaller, såsom formminneslegeringar och gummimetaller. Nanorören hade också en ultralåg elasticitetsmodul på cirka 20–30 GPa.

För att förstå mekanismen bakom detta genomförde teamet atomistiska simuleringar, som indikerade att superelasticiteten härrör från allvarlig oxidation i nanorören och kan tillskrivas bildandet av ett skadetolerant perkolationsnätverk av nanooxider i den amorfa strukturen. Dessa oxidnätverk begränsar inte bara plasthändelser i atomär skala under lastning, utan leder också till återhämtning av elastisk styvhet vid lossning i nanorör av metalliskt glas.

"Vår forskning introducerar ett nanooxidtekniskt tillvägagångssätt för lågdimensionella metallglas. Morfologin hos nanooxider i nanorör och nanoskivor av metalliskt glas kan manipuleras genom att justera oxidkoncentrationen, allt från isolerade dispersioner till ett anslutet nätverk", säger Professor Yang.

"Med detta tillvägagångssätt kan vi utveckla en klass av heterogena nanostrukturerade keramiska metallkompositer genom att blanda metaller med oxider på nanoskala. Sådana kompositer har stor potential för olika framtida kommersiella tillämpningar och nanoenheter som arbetar i tuffa miljöer, såsom sensorer, medicinsk utrustning, mikro- och nanorobotar, fjädrar och ställdon", tillade han.

Mer information: Fucheng Li et al, Oxidationsinducerad superelasticitet i nanorör av metalliskt glas, Naturmaterial (2023). DOI:10.1038/s41563-023-01733-8

Tillhandahålls av City University of Hong Kong