Cada año, los efectos de los materiales corrosivos minan más de $ 1 billón de la economía mundial. Como ciertas aleaciones están expuestas a tensiones y temperaturas extremas, comienza a formarse una película de óxido, haciendo que las aleaciones se descompongan aún más rápidamente. ¿Qué hace precisamente que estas altas temperaturas, condiciones de alto estrés tan propicias para la corrosión, sin embargo, sigue siendo poco entendido, especialmente en dispositivos microelectromecánicos. En el Revista de física aplicada , Los investigadores chinos han comenzado a analizar por qué estos materiales se corroen bajo tensión mecánica.

Xue Feng, profesor de la Universidad de Tsinghua, y su equipo de investigación describen cómo el estrés mecánico puede afectar el proceso de oxidación. Su modelo se basa en la cinética de oxidación para explicar cómo el estrés afecta a las especies de oxidación que se difunden por toda la capa de óxido. y cómo el estrés modifica las reacciones químicas en las interfaces y conduce a la oxidación.

"Nuestro trabajo está en la dirección de la investigación fundamental, pero de hecho se basa en problemas de ingeniería, ", Dijo Feng." Esperamos que proporcione pautas para predicciones más precisas en aplicaciones de ingeniería, incluyendo mejores diseños para compensar las fallas del material y del sistema teniendo en cuenta el proceso de oxidación ".

Por décadas, investigación sobre el acoplamiento quimiomecánico del estrés físico y la oxidación se centró en relacionar el estrés con una de dos características diferentes de la corrosión de la aleación. Específicamente, el estrés tiende a acelerar la oxidación que se produce en la superficie del material en la interfaz entre el dispositivo y el oxígeno del aire circundante. El estrés también cambia las formas en que los compuestos oxidativos se difunden por la estructura a nanoescala de un material.

El trabajo de este grupo combina el estrés y el proceso de oxidación en un nuevo modelo. Primero, un sustrato, típicamente la aleación corrosiva, absorbe oxígeno y forma una capa de óxido metálico. Más oxígeno puede difundirse a través de esta capa, que puede reaccionar con la siguiente capa de aleación detrás de la interfaz de oxidación.

"Nuestro trabajo aquí se ocupa principalmente de la segunda y tercera etapas, en el que el estrés, ya sea carga mecánica aplicada externamente o tensión generada intrínsecamente debido a la formación de óxido en sí, podría afectar el proceso de difusión y reacción química, "dijo Mengkun Yue, otro autor del artículo de la Universidad de Tsinghua.

El modelo del equipo predijo que cuando los materiales sometidos a cargas pesadas se comprimen, absorben menos oxígeno. Correspondientemente, las tensiones que separan el material proporcionan más espacio para que el oxígeno se infiltre en la aleación.

El grupo probó este marco en muestras de SiO2 cultivadas en un sustrato de Si utilizando interferometría multihaz, un método que otros investigadores habían demostrado previamente, y descubrió que sus predicciones teóricas coincidían con los datos.

Colmillo Xufei, autor del artículo del Instituto Max Planck para la Investigación del Hierro, dijo que espera que la verificación de un modelo unificado para el acoplamiento estrés-oxidación pueda ayudar a mejorar los dispositivos microelectromecánicos. A altas temperaturas o bajo estrés, estos dispositivos pueden experimentar una oxidación notablemente mayor debido a su gran relación superficie-volumen.

"Esperamos una aplicación más general de nuestro modelo y lo desarrollaremos aún más, en los siguientes pasos, para aplicarlos a sistemas de microescala, "Dijo Fang.