L'ossidazione può degradare le proprietà e la funzionalità dei metalli. Tuttavia, un gruppo di ricerca co-guidato da scienziati della City University di Hong Kong (CityU) ha recentemente scoperto che i nanotubi di vetro metallico gravemente ossidati possono raggiungere una deformazione elastica recuperabile ultraelevata, superando la maggior parte dei metalli superelastici convenzionali. Hanno anche scoperto i meccanismi fisici alla base di questa superelasticità.
La loro scoperta implica che l'ossidazione nel vetro metallico di piccole dimensioni può portare a proprietà uniche per applicazioni in sensori, dispositivi medici e altri nanodispositivi. I risultati sono stati pubblicati su Nature Materials sotto il titolo "Superelasticità indotta dall'ossidazione nei nanotubi di vetro metallico."
Negli ultimi anni, le proprietà funzionali e meccaniche dei metalli a bassa dimensionalità, tra cui nanoparticelle, nanotubi e nanofogli, hanno attirato l'attenzione per le loro potenziali applicazioni in dispositivi su piccola scala, come sensori, nanorobot e metamateriali. Tuttavia, la maggior parte dei metalli sono elettrochimicamente attivi e suscettibili all'ossidazione negli ambienti ambientali, il che spesso ne degrada le proprietà e le funzionalità.
"I nanomateriali metallici hanno un elevato rapporto superficie-volume, che può arrivare fino a 10 8 m -1 . Quindi, in linea di principio, si prevede che siano particolarmente inclini all'ossidazione", ha affermato il professor Yang Yong, del Dipartimento di ingegneria meccanica della CityU, che ha guidato il gruppo di ricerca insieme ai suoi collaboratori.
"Per utilizzare metalli a bassa dimensionalità per sviluppare dispositivi e metamateriali di prossima generazione, dobbiamo comprendere a fondo gli effetti negativi dell'ossidazione sulle proprietà di questi nanometalli e quindi trovare un modo per superarli."
Pertanto, il professor Yang e il suo team hanno studiato l'ossidazione nei nanometalli e, in netto contrasto con le loro aspettative, hanno scoperto che nanotubi e nanofogli di vetro metallico gravemente ossidati possono raggiungere una deformazione elastica recuperabile ultraelevata fino a circa il 14% a temperatura ambiente, che supera la massa vetri metallici, nanofili di vetro metallico e molti altri metalli superelastici.
Hanno realizzato nanotubi di vetro metallico con uno spessore medio delle pareti di soli 20 nm e fabbricato nanofogli da diversi substrati, come cloruro di sodio, alcol polivinilico e substrati fotoresist convenzionali, con diversi livelli di concentrazione di ossigeno.
Hanno quindi condotto misurazioni della tomografia con sonda atomica (APT) 3D e della spettroscopia di perdita di energia degli elettroni. Nei risultati, gli ossidi erano dispersi all’interno dei nanotubi e dei nanofogli di vetro metallico, a differenza dei metalli sfusi convenzionali, in cui sulla superficie si forma uno strato di ossido solido. Man mano che la concentrazione di ossigeno nei campioni aumentava a causa delle reazioni metallo-substrato, all'interno dei nanotubi e dei nanofogli si formavano reti di ossido connesse e percolanti.
Le misurazioni della microcompressione in situ hanno anche rivelato che i nanotubi e i nanofogli di vetro metallico gravemente ossidati mostravano una deformazione recuperabile del 10%-20%, che era molte volte superiore a quella della maggior parte dei metalli superelastici convenzionali, come le leghe a memoria di forma e i metalli gommosi. I nanotubi avevano anche un modulo elastico ultrabasso di circa 20-30 GPa.
Per comprendere il meccanismo alla base di ciò, il team ha condotto simulazioni atomistiche, che hanno indicato che la superelasticità ha origine da una grave ossidazione nei nanotubi e può essere attribuita alla formazione di una rete di percolazione di nanoossidi resistente ai danni nella struttura amorfa. Queste reti di ossidi non solo limitano gli eventi plastici su scala atomica durante il carico, ma portano anche al recupero della rigidità elastica durante lo scarico nei nanotubi di vetro metallico.
"La nostra ricerca introduce un approccio ingegneristico con nano-ossidi per vetri metallici a bassa dimensione. La morfologia dei nano-ossidi all'interno di nanotubi e nanofogli di vetro metallico può essere manipolata regolando la concentrazione di ossido, variando da dispersioni isolate a una rete connessa", ha affermato Professore Yang.
"Con questo approccio, possiamo sviluppare una classe di compositi ceramica-metallo nanostrutturati eterogenei mescolando metalli con ossidi su scala nanometrica. Tali compositi hanno un grande potenziale per varie future applicazioni commerciali e nanodispositivi che funzionano in ambienti difficili, come sensori, dispositivi medici, micro e nano robot, molle e attuatori", ha aggiunto.
Ulteriori informazioni: Fucheng Li et al, Superelasticità indotta dall'ossidazione nei nanotubi di vetro metallico, Nature Materials (2023). DOI:10.1038/s41563-023-01733-8
Fornito dalla City University of Hong Kong
