I ricercatori hanno scoperto che un rivestimento protettivo di ossido solido per metalli può, se applicato in strati sufficientemente sottili, deformarsi come se fosse un liquido, riempire eventuali crepe e spazi vuoti man mano che si formano.

Il sottile strato di rivestimento dovrebbe essere particolarmente utile per prevenire la fuoriuscita di minuscole molecole che possono penetrare attraverso la maggior parte dei materiali, come il gas idrogeno che potrebbe essere utilizzato per alimentare le auto a celle a combustibile, oppure il trizio radioattivo (una forma pesante di idrogeno) che si forma all'interno dei nuclei delle centrali nucleari.

La maggior parte dei metalli, con la notevole eccezione dell'oro, tendono ad ossidarsi se esposti all'aria e all'acqua. Questa reazione, che produce ruggine sul ferro, appannarsi sull'argento, e verderame su rame o ottone, può indebolire il metallo nel tempo e portare a crepe o cedimenti strutturali. Ma ci sono tre elementi noti che producono un ossido che può effettivamente fungere da barriera protettiva per prevenire ulteriori ossidazioni:ossido di alluminio, ossido di cromo, e biossido di silicio.

Ju Li, un professore di ingegneria nucleare e scienza al MIT e autore senior di un articolo che descrive la nuova scoperta, afferma "stavamo cercando di capire perché l'ossido di alluminio e il biossido di silicio sono ossidi speciali che offrono un'eccellente resistenza alla corrosione". Il documento appare sul giornale Nano lettere .

Il gruppo, guidato dallo studente laureato del MIT Yang Yang, ha utilizzato strumenti altamente specializzati per osservare in dettaglio la superficie dei metalli rivestiti con questi ossidi "speciali" per vedere cosa succede quando sono esposti ad un ambiente di ossigeno e posti sotto stress. Mentre la maggior parte dei microscopi elettronici a trasmissione (TEM) richiedono che i campioni vengano studiati in un vuoto spinto, il team ha utilizzato una versione modificata chiamata TEM ambientale (E-TEM) che consente di studiare il campione in presenza di gas o liquidi di interesse. Il dispositivo è stato utilizzato per studiare il processo che può portare a un tipo di guasto noto come rottura per corrosione sotto sforzo.

I metalli sotto stress dalla pressione all'interno di un reattore ed esposti a un ambiente di vapore surriscaldato possono corrodersi rapidamente se non protetti. Anche con uno strato protettivo solido, si possono formare crepe che consentono all'ossigeno di penetrare sulla superficie metallica nuda, dove può quindi penetrare nelle interfacce tra i grani metallici che costituiscono un materiale metallico sfuso, provocando ulteriore corrosione che può penetrare più in profondità e portare a cedimenti strutturali. "Vogliamo un ossido che sia liquido e resistente alle crepe, " dice Yang.

Si scopre che il vecchio materiale di rivestimento in standby, ossido di alluminio, può avere proprio quel comportamento fluido simile a un liquido, anche a temperatura ambiente, se è fatto in uno strato abbastanza sottile, circa 2-3 nanometri (miliardesimi di metro) di spessore.

"Tradizionalmente, la gente pensa che l'ossido di metallo sarebbe fragile" e soggetto a fessurazioni, Yang dice, spiegando che nessuno aveva dimostrato il contrario perché è così difficile osservare il comportamento del materiale in condizioni realistiche. È qui che la configurazione E-TEM specializzata presso il Brookhaven National Laboratory, uno dei soli 10 dispositivi di questo tipo al mondo, entrato in gioco. "Nessuno aveva mai osservato come si deforma a temperatura ambiente, " dice Yang.

"Per la prima volta, l'abbiamo osservato a una risoluzione quasi atomica, " dice Li. Questo approccio ha dimostrato che uno strato di ossido di alluminio, normalmente così fragile che si frantumerebbe sotto stress, quando reso estremamente sottile è deformabile quasi quanto uno strato relativamente sottile di metallo di alluminio, uno strato molto più sottile di un foglio di alluminio. Quando l'ossido di alluminio viene rivestito su una superficie di un grosso pezzo di alluminio, il flusso liquido "mantiene l'alluminio coperto" con il suo strato protettivo, Li riporta.

I ricercatori hanno dimostrato all'interno dell'E-TEM che l'alluminio con il suo rivestimento di ossido potrebbe essere allungato per più del doppio della sua lunghezza senza causare l'apertura di crepe, Li dice. L'ossido "forma uno strato conforme molto uniforme che protegge la superficie, senza bordi di grano o crepe, "anche sotto lo sforzo di quello stiramento, lui dice. tecnicamente, il materiale è una specie di vetro, ma si muove come un liquido e ricopre completamente la superficie finché è abbastanza sottile.

"La gente non può immaginare che un ossido di metallo possa essere duttile, "Yang dice, riferendosi alla capacità di un metallo di deformarsi, come essere allungato in un filo sottile. Per esempio, lo zaffiro è una forma dello stesso materiale, ossido di alluminio, ma la sua forma cristallina lo rende un materiale molto forte ma fragile.

Il rivestimento autorigenerante potrebbe avere molte potenziali applicazioni, Li dice, notando il vantaggio della sua scorrevolezza, superficie continua senza crepe o bordi di grano che potrebbero penetrare nel materiale.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.