La oxidación puede degradar las propiedades y funcionalidad de los metales. Sin embargo, un equipo de investigación codirigido por científicos de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) descubrió recientemente que los nanotubos de vidrio metálicos severamente oxidados pueden alcanzar una deformación elástica recuperable ultraalta, superando a la mayoría de los metales superelásticos convencionales. También descubrieron los mecanismos físicos que sustentan esta superelasticidad.
Su descubrimiento implica que la oxidación en vidrio metálico de bajas dimensiones puede dar como resultado propiedades únicas para aplicaciones en sensores, dispositivos médicos y otros nanodispositivos. Los hallazgos fueron publicados en Nature Materials. bajo el título "Superelasticidad inducida por oxidación en nanotubos de vidrio metálico".
En los últimos años, las propiedades funcionales y mecánicas de los metales de baja dimensión, incluidas nanopartículas, nanotubos y nanoláminas, han llamado la atención por sus posibles aplicaciones en dispositivos de pequeña escala, como sensores, nanorobots y metamateriales. Sin embargo, la mayoría de los metales son electroquímicamente activos y susceptibles a la oxidación en ambientes ambientales, lo que a menudo degrada sus propiedades y funcionalidades.
"Los nanomateriales metálicos tienen una alta relación superficie-volumen, que puede ser de hasta 10 8 m -1 . Así que, en principio, se espera que sean especialmente propensos a la oxidación", afirmó el profesor Yang Yong, del Departamento de Ingeniería Mecánica de CityU, que dirigió el equipo de investigación junto con sus colaboradores.
"Para utilizar metales de baja dimensión para desarrollar metamateriales y dispositivos de próxima generación, debemos comprender a fondo los efectos adversos de la oxidación en las propiedades de estos nanometales y luego encontrar una manera de superarlos".
Por lo tanto, el profesor Yang y su equipo investigaron la oxidación en nanometales y, en marcado contraste con sus expectativas, descubrieron que los nanotubos y nanoláminas de vidrio metálicos severamente oxidados pueden alcanzar una deformación elástica recuperable ultraalta de hasta aproximadamente el 14% a temperatura ambiente, lo que supera el rendimiento a granel. Vidrios metálicos, nanocables de vidrio metálico y muchos otros metales superelásticos.
Hicieron nanotubos de vidrio metálico con un espesor de pared promedio de solo 20 nm y fabricaron nanoláminas a partir de diferentes sustratos, como cloruro de sodio, alcohol polivinílico y sustratos fotorresistentes convencionales, con diferentes niveles de concentración de oxígeno.
Luego realizaron tomografía con sonda atómica (APT) en 3D y mediciones de espectroscopia de pérdida de energía de electrones. En los resultados, los óxidos se dispersaron dentro de los nanotubos y nanoláminas de vidrio metálico, a diferencia de los metales a granel convencionales, en los que se forma una capa de óxido sólido en la superficie. A medida que la concentración de oxígeno en las muestras aumentó debido a las reacciones entre el metal y el sustrato, se formaron redes de óxido conectadas y percoladas dentro de los nanotubos y las nanoláminas.
Las mediciones de microcompresión in situ también revelaron que los nanotubos y nanoláminas de vidrio metálico severamente oxidados exhibían una deformación recuperable del 10% al 20%, que era varias veces mayor que la de la mayoría de los metales superelásticos convencionales, como las aleaciones con memoria de forma y los metales de goma. Los nanotubos también tenían un módulo elástico ultrabajo de aproximadamente 20-30 GPa.
Para comprender el mecanismo detrás de esto, el equipo realizó simulaciones atomísticas, que indicaron que la superelasticidad se origina a partir de una oxidación severa en los nanotubos y puede atribuirse a la formación de una red de percolación de nanoóxidos tolerante a los daños en la estructura amorfa. Estas redes de óxido no solo restringen los eventos plásticos a escala atómica durante la carga, sino que también conducen a la recuperación de la rigidez elástica durante la descarga en nanotubos de vidrio metálico.
"Nuestra investigación introduce un enfoque de ingeniería de nanoóxidos para vidrios metálicos de bajas dimensiones. La morfología de los nanoóxidos dentro de nanotubos y nanoláminas de vidrio metálico se puede manipular ajustando la concentración de óxido, desde dispersiones aisladas hasta una red conectada", dijo Profesor Yang.
"Con este enfoque, podemos desarrollar una clase de compuestos cerámicos y metálicos nanoestructurados heterogéneos mezclando metales con óxidos a nanoescala. Dichos compuestos tienen un gran potencial para diversas aplicaciones comerciales futuras y nanodispositivos que funcionan en entornos hostiles, como sensores, dispositivos médicos, micro y nanorobots, resortes y actuadores", añadió.
Más información: Fucheng Li et al, Superelasticidad inducida por oxidación en nanotubos de vidrio metálico, Nature Materials (2023). DOI:10.1038/s41563-023-01733-8
Proporcionado por la Universidad de la ciudad de Hong Kong
