Onderzoekers hebben ontdekt dat een vaste oxidebeschermende coating voor metalen, indien aangebracht in voldoende dunne lagen, vervormen alsof het een vloeistof is, het vullen van eventuele scheuren en gaten wanneer ze zich vormen.

De dunne coatinglaag moet vooral nuttig zijn om lekkage van kleine moleculen te voorkomen die door de meeste materialen kunnen dringen, zoals waterstofgas dat kan worden gebruikt om brandstofcelauto's van stroom te voorzien, of het radioactieve tritium (een zware vorm van waterstof) dat zich vormt in de kernen van kerncentrales.

De meeste metalen, met uitzondering van goud, hebben de neiging om te oxideren bij blootstelling aan lucht en water. Deze reactie, die roest op ijzer produceert, bezoedelen op zilver, en kopergroen op koper of messing, kan het metaal na verloop van tijd verzwakken en leiden tot scheuren of structureel falen. Maar er zijn drie bekende elementen die een oxide produceren dat daadwerkelijk kan dienen als een beschermende barrière om verdere oxidatie te voorkomen:aluminiumoxide, chroomoxide, en siliciumdioxide.

Ju Li, een professor in nucleaire engineering en wetenschap aan het MIT en senior auteur van een paper waarin de nieuwe bevinding wordt beschreven, zegt:"we probeerden te begrijpen waarom aluminiumoxide en siliciumdioxide speciale oxiden zijn die een uitstekende corrosieweerstand bieden." De krant verschijnt in het journaal Nano-letters .

Het team, onder leiding van MIT-afgestudeerde student Yang Yang, gebruikte zeer gespecialiseerde instrumenten om het oppervlak van metalen die met deze "speciale" oxiden zijn bedekt in detail te observeren om te zien wat er gebeurt als ze worden blootgesteld aan een zuurstofomgeving en onder stress worden geplaatst. Hoewel de meeste transmissie-elektronenmicroscopen (TEM's) vereisen dat monsters in een hoog vacuüm worden bestudeerd, het team gebruikte een aangepaste versie, een milieu-TEM (E-TEM) genaamd, waarmee het monster kan worden bestudeerd in de aanwezigheid van gassen of vloeistoffen van belang. Het apparaat werd gebruikt om het proces te bestuderen dat kan leiden tot een type storing dat bekend staat als spanningscorrosie.

Metalen die onder druk staan ​​door druk in een reactorvat en worden blootgesteld aan een omgeving van oververhitte stoom, kunnen snel corroderen als ze niet worden beschermd. Zelfs met een stevige beschermlaag, er kunnen scheuren ontstaan ​​waardoor de zuurstof tot in het blanke metalen oppervlak kan doordringen, waar het vervolgens kan doordringen in grensvlakken tussen de metaalkorrels waaruit een bulkmetaalmateriaal bestaat, waardoor verdere corrosie kan ontstaan ​​die dieper kan doordringen en tot structureel falen kan leiden. "We willen een oxide dat vloeistofachtig en scheurbestendig is, ' zegt Yang.

Het blijkt dat het oude stand-by coatingmateriaal, aluminiumoxide, kan precies dat vloeistofachtige stromende gedrag hebben, zelfs bij kamertemperatuur, als er een voldoende dunne laag van wordt gemaakt, ongeveer 2 tot 3 nanometer (miljardste van een meter) dik.

"Traditioneel, mensen denken dat het metaaloxide broos zou zijn" en onderhevig aan barsten, Yang zegt, uitleggen dat niemand het tegendeel had aangetoond, omdat het zo moeilijk is om het gedrag van het materiaal onder realistische omstandigheden te observeren. Dat is waar de gespecialiseerde E-TEM-opstelling in Brookhaven National Laboratory, een van de slechts ongeveer 10 van dergelijke apparaten ter wereld, kwam in het spel. "Niemand had ooit waargenomen hoe het vervormt bij kamertemperatuur, ' zegt Yang.

"Voor de eerste keer, we hebben dit waargenomen met een bijna atomaire resolutie, " zegt Li. Deze benadering toonde aan dat een aluminiumoxidelaag, normaal zo broos dat het zou breken onder stress, wanneer het buitengewoon dun is gemaakt, is het bijna net zo vervormbaar als een vergelijkbaar dunne laag aluminiummetaal - een laag die veel dunner is dan aluminiumfolie. Wanneer het aluminiumoxide wordt gecoat op een oppervlak van een stuk aluminium, de vloeistofachtige stroom "houdt het aluminium bedekt" met zijn beschermende laag, meldt Li.

De onderzoekers toonden in de E-TEM aan dat het aluminium met zijn oxidecoating tot meer dan het dubbele van zijn lengte kan worden uitgerekt zonder dat er scheuren ontstaan, zegt Li. Het oxide "vormt een zeer uniforme conforme laag die het oppervlak beschermt, zonder korrelgrenzen of scheuren, " zelfs onder de druk van dat uitrekken, hij zegt. Technisch gezien, het materiaal is een soort glas, maar het beweegt als een vloeistof en bedekt het oppervlak volledig zolang het dun genoeg is.

"Mensen kunnen zich niet voorstellen dat een metaaloxide kneedbaar kan zijn, "Yang zegt, verwijzend naar het vermogen van een metaal om te worden vervormd, zoals uitgerekt worden tot een dunne draad. Bijvoorbeeld, saffier is een vorm van precies hetzelfde materiaal, aluminiumoxide, maar zijn bulk kristallijne vorm maakt het een zeer sterk maar bros materiaal.

De zelfherstellende coating kan veel potentiële toepassingen hebben, Li zegt, wijzend op het voordeel van zijn soepele, doorlopend oppervlak zonder scheuren of korrelgrenzen die in het materiaal zouden kunnen doordringen.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.