Los investigadores han descubierto que una capa protectora de óxido sólido para metales puede, cuando se aplica en capas suficientemente delgadas, deformarse como si fuera un líquido, llenando las grietas y huecos a medida que se forman.
La capa de recubrimiento delgada debería ser especialmente útil para evitar la fuga de pequeñas moléculas que pueden penetrar a través de la mayoría de los materiales, como el gas de hidrógeno que podría usarse para alimentar automóviles con celdas de combustible o el tritio radiactivo una forma pesada de hidrógeno quese forma dentro de los núcleos de las centrales nucleares.
La mayoría de los metales, con la notable excepción del oro, tienden a oxidarse cuando se exponen al aire y al agua. Esta reacción, que produce óxido en el hierro, empañado en plata y verdigris en cobre o latón, puede debilitar el metal con el tiempo y el plomoa grietas o fallas estructurales. Pero hay tres elementos conocidos que producen un óxido que en realidad puede servir como una barrera protectora para evitar cualquier oxidación adicional: óxido de aluminio, óxido de cromo y dióxido de silicio.
Ju Li, profesor de ingeniería nuclear y ciencia en el MIT y autor principal de un artículo que describe el nuevo hallazgo, dice que "estábamos tratando de entender por qué el óxido de aluminio y el dióxido de silicio son óxidos especiales que ofrecen una excelente resistencia a la corrosión".aparece en el diario Nano letras .
El equipo, dirigido por el estudiante graduado del MIT Yang Yang, utilizó instrumentos altamente especializados para observar en detalle la superficie de los metales recubiertos con estos óxidos "especiales" para ver qué sucede cuando se exponen a un entorno de oxígeno y se les somete a estrés.La mayoría de los microscopios electrónicos de transmisión TEM requieren que las muestras se estudien en un alto vacío, el equipo utilizó una versión modificada llamada TEM ambiental E-TEM que permite estudiar la muestra en presencia de gases o líquidos de interés.el dispositivo se usó para estudiar el proceso que puede conducir a un tipo de falla conocida como agrietamiento por corrosión bajo tensión.
Los metales bajo presión por la presión dentro de un recipiente del reactor y expuestos a un ambiente de vapor sobrecalentado pueden corroerse rápidamente si no están protegidos. Incluso con una capa protectora sólida, pueden formarse grietas que permiten que el oxígeno penetre en la superficie metálica desnuda, dondeluego puede penetrar en las interfaces entre los granos metálicos que forman un material metálico a granel, causando más corrosión que puede penetrar más profundamente y conducir a una falla estructural. "Queremos un óxido que sea similar a un líquido y resistente a las grietas", dice Yang.
Resulta que el viejo material de recubrimiento en espera, el óxido de aluminio, puede tener ese comportamiento de flujo similar al líquido, incluso a temperatura ambiente, si se convierte en una capa lo suficientemente delgada, aproximadamente de 2 a 3 nanómetros billonésimas de metro grueso
"Tradicionalmente, la gente piensa que el óxido de metal sería frágil" y sujeto a agrietamiento, dice Yang, explicando que nadie había demostrado lo contrario porque es muy difícil observar el comportamiento del material en condiciones realistas. Ahí es donde el especialista en E-La configuración de TEM en el Brookhaven National Laboratory, uno de los 10 dispositivos de este tipo en el mundo, entró en juego. "Nadie había observado cómo se deforma a temperatura ambiente", dice Yang.
"Por primera vez, hemos observado esto a una resolución casi atómica", dice Li. Este enfoque demostró que una capa de óxido de aluminio, normalmente tan frágil que se rompería bajo tensión, cuando se hace extremadamente delgada es casi tan deformable como unCapa de metal de aluminio comparablemente delgada, una capa mucho más delgada que el papel de aluminio. Cuando el óxido de aluminio se recubre sobre una superficie de una pieza de aluminio a granel, el flujo líquido "mantiene el aluminio cubierto" con su capa protectora, informa Li.
Los investigadores demostraron dentro del E-TEM que el aluminio con su recubrimiento de óxido podría estirarse a más del doble de su longitud sin que se abriera ninguna grieta, dice Li. El óxido "forma una capa conformal muy uniforme que protege la superficie, sin límites de grano ni grietas ", incluso bajo la tensión de ese estiramiento, dice. Técnicamente, el material es una especie de vidrio, pero se mueve como un líquido y recubre completamente la superficie siempre que sea lo suficientemente delgada".
"La gente no puede imaginar que un óxido de metal puede ser dúctil", dice Yang, refiriéndose a la capacidad de deformación de un metal, como ser estirado en un alambre delgado. Por ejemplo, el zafiro es una forma exactamente igualmaterial, óxido de aluminio, pero su forma cristalina a granel lo convierte en un material muy fuerte pero quebradizo.
El recubrimiento de autocuración podría tener muchas aplicaciones potenciales, dice Li, señalando la ventaja de su superficie lisa y continua sin grietas o límites de grano que podrían penetrar en el material.
El equipo también incluyó al afiliado de investigación Akihiro Kushima en el MIT, Weizhong Han en la Universidad Xi'an Jiaotong en China y Huolin Xin en el Laboratorio Nacional Brookhaven. El trabajo fue apoyado por la National Science Foundation.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por David L. Chandler. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :