Inilalahad ang super-elasticity na dulot ng oksihenasyon sa metallic glass nanotubes

Maaaring pababain ng oksihenasyon ang mga katangian at pag-andar ng mga metal. Gayunpaman, natuklasan kamakailan ng isang research team na pinamumunuan ng mga scientist mula sa City University of Hong Kong (CityU) na ang malubhang na-oxidized na metallic glass nanotube ay maaaring makakuha ng ultrahigh na nare-recover na elastic strain, na mas mataas ang performance ng karamihan sa mga conventional super-elastic na metal. Natuklasan din nila ang mga pisikal na mekanismo na nagpapatibay sa sobrang pagkalastiko na ito.

Ang kanilang pagtuklas ay nagpapahiwatig na ang oksihenasyon sa mababang-dimensyon na metal na salamin ay maaaring magresulta sa mga natatanging katangian para sa mga aplikasyon sa mga sensor, medikal na aparato at iba pang nanodevice. Ang mga natuklasan ay nai-publish sa Mga Materyales sa Kalikasan sa ilalim ng pamagat na “Oxidation-induced superelasticity sa metallic glass nanotubes.”

Sa mga nagdaang taon, ang mga functional at mekanikal na katangian ng mga low-dimensional na metal, kabilang ang mga nanoparticle, nanotubes at nanosheet, ay nakakuha ng pansin para sa kanilang mga potensyal na aplikasyon sa mga maliliit na aparato, tulad ng mga sensor, nano-robots at metamaterial. Gayunpaman, karamihan sa mga metal ay electrochemically active at madaling kapitan ng oksihenasyon sa mga nakapaligid na kapaligiran, na kadalasang nagpapababa sa kanilang mga katangian at functionality.

“Ang mga metal na nanomaterial ay may mataas na ratio ng surface-to-volume, na maaaring hanggang 10⁸ m^-1. Kaya sa prinsipyo, sila ay inaasahang maging partikular na madaling kapitan ng oksihenasyon,” sabi ni Propesor Yang Yong, sa Kagawaran ng Mechanical Engineering sa CityU, na namuno sa pangkat ng pananaliksik kasama ang kanyang mga katuwang.

“Upang gumamit ng mga low-dimensional na metal upang makabuo ng mga susunod na henerasyong device at metamaterial, dapat nating lubusang maunawaan ang masamang epekto ng oksihenasyon sa mga katangian ng mga nanometal na ito at pagkatapos ay humanap ng paraan upang madaig ang mga ito.”

Samakatuwid, si Propesor Yang at ang kanyang koponan ay nag-imbestiga sa oksihenasyon sa mga nanometal, at sa kabaligtaran ng kanilang inaasahan, nalaman nila na ang malubhang na-oxidized na metallic glass nanotubes at nanosheet ay maaaring makamit ang isang ultrahigh na nare-recover na elastic strain na hanggang sa humigit-kumulang 14% sa temperatura ng silid, na mas mataas ang performance. metalikong baso, metallic glass nanowire, at marami pang ibang super-elastic na metal.

Gumawa sila ng mga metallic glass nanotubes na may average na kapal ng pader na 20 nm lang, at gawa-gawa ng mga nanosheet mula sa iba’t ibang substrate, tulad ng sodium chloride, polyvinyl alcohol at conventional photoresist substrates, na may iba’t ibang antas ng konsentrasyon ng oxygen.

Pagkatapos ay nagsagawa sila ng 3D atom probe tomography (APT) at electron energy loss spectroscopy measurements. Sa mga resulta, ang mga oxide ay nagkalat sa loob ng mga metallic glass nanotubes at nanosheet, hindi tulad ng conventional bulk metals, kung saan ang isang solid oxide layer ay bumubuo sa ibabaw. Habang tumaas ang konsentrasyon ng oxygen sa mga sample dahil sa mga reaksyon ng metal-substrate, nabuo ang konektado at percolating oxide network sa loob ng nanotubes at nanosheets.

Ang mga in-situ na pagsukat ng microcompression ay nagsiwalat din na ang malubhang na-oxidized na metallic glass nanotubes at nanosheet ay nagpakita ng isang nare-recover na strain na 10%–20%, na ilang beses na higit pa kaysa sa karamihan ng mga conventional superelastic na metal, tulad ng mga hugis memory alloy at gum metal. Ang mga nanotubes ay mayroon ding ultra-low elastic modulus na humigit-kumulang 20-30 GPa.

Upang maunawaan ang mekanismo sa likod nito, ang koponan ay nagsagawa ng mga atomistic simulation, na nagpapahiwatig na ang superelasticity ay nagmula sa matinding oksihenasyon sa nanotubes at maaaring maiugnay sa pagbuo ng isang damage-tolerant percolation network ng nano-oxides sa amorphous na istraktura. Ang mga network ng oxide na ito ay hindi lamang naghihigpit sa mga atomic-scale na plastic na kaganapan sa panahon ng paglo-load, ngunit humantong din sa pagbawi ng nababanat na tigas sa pagbabawas sa mga metallic glass nanotubes.

“Ang aming pananaliksik ay nagpapakilala ng isang nano-oxide na diskarte sa engineering para sa mga low-dimensional na metal na baso. Ang morpolohiya ng mga nano-oxide sa loob ng metallic-glass nanotubes at nanosheet ay maaaring manipulahin sa pamamagitan ng pagsasaayos ng konsentrasyon ng oxide, mula sa mga nakahiwalay na dispersion hanggang sa isang konektadong network, “sabi Propesor Yang.

“Sa diskarteng ito, maaari tayong bumuo ng isang klase ng mga heterogenous nanostructured ceramic-metal composites sa pamamagitan ng paghahalo ng mga metal sa mga oxide sa nanoscale. Ang mga naturang composite ay may malaking potensyal para sa iba’t ibang hinaharap na komersyal na mga aplikasyon at nanodevice na gumagana sa malupit na kapaligiran, tulad ng mga sensor, medikal na aparato, micro- at nano-robot, spring at actuator,” dagdag niya.