金属玻璃纳米管中氧化诱导的超弹性

(Nanowerk新闻) 氧化会降低金属的性能和功能。然而，由香港城市大学（城大）科学家共同领导的研究小组最近发现，严重氧化的金属玻璃纳米管可以获得超高的可恢复弹性应变，优于大多数传统的超弹性金属。他们还发现了支撑这种超弹性的物理机制。他们的发现意味着低维金属玻璃的氧化可以为传感器、医疗设备和其他纳米设备的应用带来独特的性能。研究结果发表于 自然材料 (“金属玻璃纳米管中氧化诱导的超弹性”). （左）在硅上制造的金属玻璃纳米管的照片和（右）金属玻璃纳米管的扫描电子显微镜图像。 （图片来源：杨勇教授研究小组/香港城市大学）近年来，低维金属，包括纳米颗粒、纳米管和纳米片等的功能和机械性能因其在小型器件中的潜在应用而受到关注。例如传感器、纳米机器人和超材料。 然而，大多数金属具有电化学活性，在周围环境中容易氧化，这通常会降低其性能和功能。 “金属纳米材料具有很高的比表面积，可达108m-1。 因此，从原则上讲，它们预计特别容易氧化，”城大机械工程系杨勇教授及其合作者领导了该研究团队。 “为了利用低维金属开发下一代器件和超材料，我们必须彻底了解氧化对这些纳米金属性能的不利影响，然后找到克服它们的方法。”因此，杨教授及其团队对纳米金属的氧化进行了研究，与他们的预期形成鲜明对比的是，他们发现严重氧化的金属玻璃纳米管和纳米片在室温下可以获得高达约14%的超高可恢复弹性应变，优于块状材料。金属玻璃、金属玻璃纳米线和许多其他超弹性金属。 他们制造了平均壁厚仅为20纳米的金属玻璃纳米管，并用不同的基材（例如氯化钠、聚乙烯醇和传统的光刻胶基材）以及不同的氧浓度水平制造了纳米片。 然后他们进行了 3D 原子探针断层扫描 (APT) 和电子能量损失光谱测量。 在这两个结果中，氧化物分散在金属玻璃纳米管和纳米片内，这与传统的块体金属不同，传统的块体金属在表面形成固体氧化物层。 随着金属-基底反应导致样品中的氧浓度增加，在纳米管和纳米片内部形成了连接和渗透的氧化物网络。 原位微压缩测量还表明，严重氧化的金属玻璃纳米管和纳米片表现出 10-20% 的可恢复应变，比大多数传统超弹性金属（例如形状记忆合金和胶质金属）高出数倍。 纳米管还具有约 20-30 GPa 的超低弹性模量。 为了了解其背后的机制，该团队进行了原子模拟，结果表明超弹性源于纳米管中的严重氧化，并且可归因于非晶结构中纳米氧化物耐损伤渗滤网络的形成。 这些氧化物网络不仅限制了加载过程中的原子级塑性事件，而且还导致金属玻璃纳米管卸载时弹性刚度的恢复。 “我们的研究引入了一种用于低维金属玻璃的纳米氧化物工程方法。 金属玻璃纳米管和纳米片中纳米氧化物的形态可以通过调整氧化物浓度来控制，范围从孤立的分散体到连接的网络。”杨教授说。 “通过这种方法，我们可以通过在纳米尺度上将金属与氧化物混合来开发一类异质纳米结构陶瓷金属复合材料。

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• Sumber: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64574.php