自我愈合的氧化铝防止腐蚀
研究人员发现，当施加在足够薄的层中时，金属的固体氧化物保护涂层可以变形，如液体，填充任何裂缝和间隙。图像：克里斯汀·丹尼尔洛夫（Christine Daniloff）
研究人员发现，当施加在足够薄的层中时，金属的固体氧化物保护涂层可以变形，如液体，填充任何裂缝和间隙。
薄涂层应该特别有用的是，防止可以穿透大多数材料的微小分子泄漏，例如可以用于发电燃料 - 电池汽车的氢气，或在内部形成的放射性氚（氢气的重形状的氢）核电站的核心。
大多数金属，具有显着的金色外，往往在暴露于空气和水时氧化。这种反应，在铜或黄铜上产生铁锈，玷污银色，并在铜或黄铜上玷污，可以随着时间的推移削弱金属并导致裂缝或结构失败。但是存在三种已知的元素，其产生氧化物，其实际上可以用作防止任何进一步氧化的保护屏障：氧化铝，氧化铬和二氧化硅。
Ju Li，核电工程和科学教授，MIT和高级作者描述了新发现的纸张和高级作者，说：“我们试图了解为什么氧化铝和二氧化硅是具有优异耐腐蚀性的特殊氧化物。“本文出现在纳米字母中。
该团队由MIT研究生杨阳领导，采用高度专业化的仪器观察详细的金属表面涂有这些“特殊”氧化物，看看它们暴露于氧气环境并置于应力下会发生什么。虽然大多数透射电子显微镜（TEMS）需要在高真空中研究样本，但该团队使用称为环境TEM（E-TEM）的修改版本，其允许在存在气体或感兴趣的液体存在下进行样品。该装置用于研究可以导致一种失效的过程，称为应力腐蚀开裂。
一层薄薄的氧化铝分离氧气（右）和两个铝金属颗粒（左）。当材料拉伸时，氧化物层伸长。
在反应器容器内部的压力和暴露于过热蒸汽的环境下的金属可以迅速腐蚀，如果没有保护。即使具有固体保护层，裂缝也可以形成允许氧气渗透到裸金属表面上，然后可以穿透构成散装金属材料的金属颗粒之间的界面，从而进一步腐蚀，可以穿透更深和铅结构失败。“我们希望氧化物是诸如液体和抗裂的氧化物，”杨说。
事实证明，旧的备用涂料，氧化铝，氧化铝可以具有液体状的流动性，即使在室温下，如果它被制成薄的层，约2至3纳米（亿米的米）厚。
“传统上，人们认为金属氧化物将是脆的”并且受到破裂，杨说，解释没有人否则，因为在现实条件下观察材料的行为是如此困难。这就是布鲁克海文国家实验室的专业电子TEM设置，仅为世界各地的其他10个这样的设备之一，发挥作用。“没有人观察到它在室温下变形是如何变形的”杨说。
“这是第一次，我们已经以几乎是原子分辨率观察到这一点，”李说。该方法证明，氧化铝层通常如此脆，它会在应力下粉碎，当制成非常薄时几乎可以变形为相对薄的铝金属层 - 一层比铝箔更薄。当将氧化铝涂覆到铝铝块的表面上时，液体状流动“将铝覆盖”与其保护层，LI报告。
李说，研究人员在E-TEM内部的铝具有氧化物涂层的铝，其长度以多于加倍，而不会引起任何裂缝。他说，氧化物“形成了非常均匀的保密层，该层保护表面，没有晶界或裂缝，”即使在该伸展的应变下。从技术上讲，材料是一种玻璃，但它像液体一样移动并且只要它足够薄，就会完全涂覆表面。
“人们无法想象金属氧化物可以是韧性的，”杨说，指金属的变形能力，例如被拉伸成薄线。例如，蓝宝石是一种完全相同材料，氧化铝的形式，但其散装晶体形式使其成为非常坚固但脆性的材料。
李说，自我愈合涂层可以具有许多潜在的应用，并注意到其光滑，连续表面的优势而没有可能渗透到材料中的裂缝或晶界。
该团队还包括在中国西安交通大学的MIT，威慈汉的麻省理工学院附属公司Akihiro Kushima，以及Brookhaven国家实验室的Huolin xin。该工作得到了国家科学基金会的支持。
出版物：杨阳等，“在室温变形期间，”液化，自愈合氧化铝“，2018年; DOI：10.1021 / ACS.NANOLETT.8B00068
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