Oxidatie kan de eigenschappen en functionaliteit van metalen aantasten. Een onderzoeksteam onder leiding van wetenschappers van de City University of Hong Kong (CityU) heeft onlangs echter ontdekt dat ernstig geoxideerde metalen glasnanobuisjes een ultrahoge herstelbare elastische spanning kunnen bereiken, die beter presteert dan de meeste conventionele superelastische metalen. Ze ontdekten ook de fysieke mechanismen die aan deze superelasticiteit ten grondslag liggen.

Hun ontdekking impliceert dat oxidatie in metallisch glas met lage afmetingen kan resulteren in unieke eigenschappen voor toepassingen in sensoren, medische apparaten en andere nanoapparaten. De bevindingen zijn gepubliceerd in Nature Materials onder de titel "Oxidatie-geïnduceerde superelasticiteit in metallische glazen nanobuisjes."

De afgelopen jaren hebben de functionele en mechanische eigenschappen van laagdimensionale metalen, waaronder nanodeeltjes, nanobuisjes en nanosheets, de aandacht getrokken vanwege hun potentiële toepassingen in kleinschalige apparaten, zoals sensoren, nanorobots en metamaterialen. De meeste metalen zijn echter elektrochemisch actief en gevoelig voor oxidatie in omgevingsomgevingen, waardoor hun eigenschappen en functionaliteiten vaak afnemen.

"Metallische nanomaterialen hebben een hoge oppervlakte-volumeverhouding, die kan oplopen tot 10 ⁸ m ^-1 . In principe wordt dus verwacht dat ze bijzonder gevoelig zijn voor oxidatie", zegt professor Yang Yong van de afdeling Werktuigbouwkunde van CityU, die samen met zijn medewerkers het onderzoeksteam leidde.

"Om laagdimensionale metalen te gebruiken om apparaten en metamateriaal van de volgende generatie te ontwikkelen, moeten we de nadelige effecten van oxidatie op de eigenschappen van deze nanometalen grondig begrijpen en vervolgens een manier vinden om deze te overwinnen."

Daarom onderzochten professor Yang en zijn team de oxidatie in nanometalen, en in schril contrast met hun verwachting ontdekten ze dat ernstig geoxideerde metallische glasnanobuisjes en nanoplaten een ultrahoge herstelbare elastische spanning van maximaal ongeveer 14% bij kamertemperatuur kunnen bereiken, wat beter presteert dan bulk. metalen glazen, metalen nanodraden van glas en vele andere superelastische metalen.

Ze maakten nanobuisjes van metaalglas met een gemiddelde wanddikte van slechts 20 nm, en vervaardigden nanosheets van verschillende substraten, zoals natriumchloride, polyvinylalcohol en conventionele fotoresistsubstraten, met verschillende niveaus van zuurstofconcentratie.

Vervolgens voerden ze 3D-atoomsondetomografie (APT) en elektronenenergieverliesspectroscopiemetingen uit. In de resultaten werden oxiden verspreid in de metallische glazen nanobuisjes en nanoplaten, in tegenstelling tot conventionele bulkmetalen, waarbij zich een vaste oxidelaag op het oppervlak vormt. Naarmate de zuurstofconcentratie in de monsters toenam als gevolg van metaal-substraatreacties, werden er verbonden en percolerende oxidenetwerken gevormd in de nanobuisjes en nanoplaten.

In-situ microcompressiemetingen onthulden ook dat de ernstig geoxideerde metallische glazen nanobuisjes en nanoplaten een herstelbare rek vertoonden van 10% -20%, wat meerdere malen meer was dan die van de meeste conventionele superelastische metalen, zoals legeringen met vormgeheugen en gommetalen. De nanobuisjes hadden ook een ultralage elasticiteitsmodulus van ongeveer 20-30 GPa.

Om het mechanisme hierachter te begrijpen, voerde het team atomistische simulaties uit, waaruit bleek dat de superelasticiteit voortkomt uit ernstige oxidatie in de nanobuisjes en kan worden toegeschreven aan de vorming van een schadetolerant percolatienetwerk van nano-oxides in de amorfe structuur. Deze oxidenetwerken beperken niet alleen de plastic gebeurtenissen op atomaire schaal tijdens het laden, maar leiden ook tot het herstel van de elastische stijfheid bij het lossen in metallische glazen nanobuisjes.

"Ons onderzoek introduceert een nano-oxide-engineeringbenadering voor laag-dimensionaal metaalglas. De morfologie van nano-oxiden in nanobuisjes en nanoplaten van metaalglas kan worden gemanipuleerd door de oxideconcentratie aan te passen, variërend van geïsoleerde dispersies tot een verbonden netwerk", aldus Dr. Professor Yang.

"Met deze aanpak kunnen we een klasse van heterogene nanogestructureerde keramiek-metaalcomposieten ontwikkelen door metalen met oxiden op nanoschaal te mengen. Dergelijke composieten hebben een groot potentieel voor verschillende toekomstige commerciële toepassingen en nanoapparaten die in ruwe omgevingen werken, zoals sensoren, medische apparaten, micro- en nano-robots, veren en actuatoren”, voegde hij eraan toe.

Meer informatie: Fucheng Li et al, Oxidatie-geïnduceerde superelasticiteit in metallische glazen nanobuisjes, Nature Materials (2023). DOI:10.1038/s41563-023-01733-8

Aangeboden door de stadsuniversiteit van Hong Kong