Afsløring af oxidationsinduceret superelasticitet i metalliske glasnanorør

Oxidation kan forringe metallers egenskaber og funktionalitet. Men et forskerhold ledet af forskere fra City University of Hong Kong (CityU) har for nylig opdaget, at alvorligt oxiderede metalliske glasnanorør kan opnå en ultrahøj genvindelig elastisk belastning, der overgår de fleste konventionelle superelastiske metaller. De opdagede også de fysiske mekanismer, der understøtter denne superelasticitet.

Deres opdagelse indebærer, at oxidation i lavdimensioneret metallisk glas kan resultere i unikke egenskaber til applikationer i sensorer, medicinsk udstyr og andre nanoenheder. Resultaterne blev offentliggjort i Nature Materials under titlen "Oxidations-induceret superelasticitet i metalliske glas nanorør."

I de senere år har de funktionelle og mekaniske egenskaber af lavdimensionelle metaller, herunder nanopartikler, nanorør og nanoplader, fået opmærksomhed for deres potentielle anvendelser i småskalaenheder, såsom sensorer, nano-robotter og metamaterialer. De fleste metaller er dog elektrokemisk aktive og modtagelige for oxidation i omgivende miljøer, hvilket ofte forringer deres egenskaber og funktionaliteter.

"Metalliske nanomaterialer har et højt overflade-til-volumen-forhold, som kan være op til 10 ⁸ m ^-1 . Så i princippet forventes de at være særligt tilbøjelige til at oxidere," sagde professor Yang Yong, ved Institut for Mekanisk Teknik ved CityU, som ledede forskerholdet sammen med sine samarbejdspartnere.

"For at bruge lavdimensionelle metaller til at udvikle næste generations enheder og metamaterialer, må vi grundigt forstå de negative virkninger af oxidation på egenskaberne af disse nanometaller og derefter finde en måde at overvinde dem på."

Derfor undersøgte professor Yang og hans team oxidation i nanometaller, og i skarp kontrast til deres forventning fandt de ud af, at alvorligt oxiderede metalliske nanorør og nanoplader kan opnå en ultrahøj genvindelig elastisk belastning på op til omkring 14 % ved stuetemperatur, hvilket overgår bulk metalliske glas, metalliske glas nanotråde og mange andre superelastiske metaller.

De fremstillede nanorør af metallisk glas med en gennemsnitlig vægtykkelse på kun 20 nm og fremstillede nanoplader af forskellige substrater, såsom natriumchlorid, polyvinylalkohol og konventionelle fotoresistsubstrater, med forskellige niveauer af oxygenkoncentration.

De udførte derefter 3D atom probe tomografi (APT) og elektronenergitabsspektroskopi. I resultaterne blev oxider spredt i de metalliske glasnanorør og nanoplader, i modsætning til konventionelle bulkmetaller, hvor der dannes et fast oxidlag på overfladen. Da iltkoncentrationen i prøverne steg på grund af metal-substrat-reaktioner, blev der dannet forbundne og perkolerende oxidnetværk inde i nanorørene og nanopladerne.

In-situ mikrokompressionsmålinger afslørede også, at de stærkt oxiderede metalliske glas nanorør og nanoplader udviste en genvindelig belastning på 10%-20%, hvilket var flere gange mere end de fleste konventionelle superelastiske metaller, såsom formhukommelseslegeringer og gummimetaller. Nanorørene havde også et ultralavt elasticitetsmodul på omkring 20-30 GPa.

For at forstå mekanismen bag dette udførte holdet atomistiske simuleringer, som indikerede, at superelasticiteten stammer fra alvorlig oxidation i nanorørene og kan tilskrives dannelsen af ​​et skadetolerant perkolationsnetværk af nanooxider i den amorfe struktur. Disse oxidnetværk begrænser ikke kun plastikhændelser på atomare skala under lastning, men fører også til genvinding af elastisk stivhed ved aflæsning i metalliske glasnanorør.

"Vores forskning introducerer en nanooxidteknologisk tilgang til lavdimensionelle metalliske glas. Morfologien af ​​nanooxider i nanorør og nanoplader af metallisk glas kan manipuleres ved at justere oxidkoncentrationen, lige fra isolerede dispersioner til et forbundet netværk," sagde Professor Yang.

"Med denne tilgang kan vi udvikle en klasse af heterogene nanostrukturerede keramisk-metalkompositter ved at blande metaller med oxider på nanoskala. Sådanne kompositter har et stort potentiale for forskellige fremtidige kommercielle applikationer og nanoenheder, der arbejder i barske miljøer, såsom sensorer, medicinsk udstyr, mikro- og nano-robotter, fjedre og aktuatorer," tilføjede han.

Flere oplysninger: Fucheng Li et al, Oxidations-induceret superelasticitet i metalliske glas nanorør, Nature Materials (2023). DOI:10.1038/s41563-023-01733-8

Leveret af City University of Hong Kong