Selvhelbredende metaloxider kan beskytte mod korrosion

Forskere har fundet ud af, at en solid oxidbeskyttende belægning til metaller kan, når det påføres i tilstrækkeligt tynde lag, deformeres, som om det var en væske, udfylde eventuelle revner og huller, efterhånden som de dannes.

Det tynde belægningslag bør være særligt nyttigt til at forhindre lækage af bittesmå molekyler, der kan trænge gennem de fleste materialer, såsom brintgas, der kunne bruges til at drive brændselscellebiler, eller det radioaktive tritium (en tung form for brint), der dannes inde i kernerne af atomkraftværker.

De fleste metaller, med den bemærkelsesværdige undtagelse af guld, har tendens til at oxidere, når de udsættes for luft og vand. denne reaktion, som producerer rust på jern, plette på sølv, og ir på kobber eller messing, kan svække metallet over tid og føre til revner eller strukturelt svigt. Men der er tre kendte grundstoffer, der producerer et oxid, der faktisk kan tjene som en beskyttende barriere for at forhindre yderligere oxidation:aluminiumoxid, chromoxid, og siliciumdioxid.

Ju Li, en professor i nuklear teknik og videnskab ved MIT og seniorforfatter til et papir, der beskriver det nye fund, siger "vi prøvede at forstå, hvorfor aluminiumoxid og siliciumdioxid er specielle oxider, der giver fremragende korrosionsbestandighed." Papiret vises i journalen Nano bogstaver .

Holdet, ledet af MIT kandidatstuderende Yang Yang, brugt højt specialiserede instrumenter til i detaljer at observere overfladen af ​​metaller belagt med disse "specielle" oxider for at se, hvad der sker, når de udsættes for et iltmiljø og udsættes for stress. Mens de fleste transmissionselektronmikroskoper (TEM'er) kræver, at prøver studeres i et højvakuum, holdet brugte en modificeret version kaldet en miljømæssig TEM (E-TEM), der gør det muligt at studere prøven i nærværelse af gasser eller væsker af interesse. Enheden blev brugt til at studere den proces, der kan føre til en type fejl kendt som spændingskorrosionsrevner.

Metaller under stress fra tryk inde i en reaktorbeholder og udsat for et miljø med overophedet damp kan korrodere hurtigt, hvis de ikke er beskyttet. Selv med et solidt beskyttende lag, der kan dannes revner, der tillader ilten at trænge ind til den nøgne metaloverflade, hvor det så kan trænge ind i grænseflader mellem metalkornene, der udgør et bulk metalmateriale, forårsager yderligere korrosion, der kan trænge dybere ind og føre til strukturelt svigt. "Vi vil have et oxid, der er væskelignende og revnebestandigt, " siger Yang.

Det viser sig, at det gamle standby-belægningsmateriale, aluminiumoxid, kan have netop den væskelignende strømningsadfærd, selv ved stuetemperatur, hvis det er lavet til et tyndt nok lag, omkring 2 til 3 nanometer (milliarddele af en meter) tyk.

"Traditionelt folk tror, ​​at metaloxidet ville være skørt" og udsat for revner, Yang siger, forklarer, at ingen havde demonstreret andet, fordi det er så svært at observere materialets adfærd under realistiske forhold. Det er her den specialiserede E-TEM-opsætning på Brookhaven National Laboratory, en af ​​kun omkring 10 sådanne enheder i verden, kom i spil. "Ingen havde nogensinde observeret, hvordan det deformeres ved stuetemperatur, " siger Yang.

"For første gang, vi har observeret dette ved næsten atomar opløsning, " siger Li. Denne tilgang viste, at et aluminiumoxidlag, normalt så skørt, at det ville gå i stykker under stress, når det gøres ekstremt tyndt, er det næsten lige så deformerbart som et sammenligneligt tyndt lag af aluminiummetal - et lag meget tyndere end aluminiumsfolie. Når aluminiumoxidet er coatet på en overflade af et bulk stykke aluminium, den væskelignende strøm "holder aluminiumet dækket" med dets beskyttende lag, Li rapporterer.

Forskerne demonstrerede inde i E-TEM, at aluminium med sin oxidbelægning kunne strækkes til mere end det dobbelte af længden uden at få revner til at åbne sig, siger Li. Oxidet "danner et meget ensartet konformt lag, der beskytter overfladen, uden korngrænser eller revner, "selv under belastningen af ​​den udstrækning, han siger. Teknisk set, materialet er en slags glas, men den bevæger sig som en væske og dækker hele overfladen, så længe den er tynd nok.

"Folk kan ikke forestille sig, at et metaloxid kan være duktilt, "Yang siger, henviser til et metals evne til at blive deformeret, såsom at blive strakt ud i en tynd wire. For eksempel, safir er en form af nøjagtig det samme materiale, aluminiumoxid, men dens bulkkrystallinske form gør det til et meget stærkt, men skørt materiale.

Den selvhelbredende belægning kan have mange potentielle anvendelser, Li siger, bemærker fordelen ved dens glatte, gennemgående overflade uden revner eller korngrænser, der kan trænge ind i materialet.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.