自我修复的金属氧化物可以防止腐蚀

研究人员发现，用于金属的固体氧化物保护涂层，当以足够薄的层施加时，可以像液体一样变形，在它们形成时填充任何裂缝和间隙。

薄涂层应该特别有用，以防止可以穿透大多数材料的微小分子泄漏，例如可用于为燃料电池汽车提供动力的氢气，或者在内部形成的放射性氚(一种重型氢)核电站的核心。

除黄金外，大多数金属在暴露于空气和水中时都会氧化。这种反应会在铁上生锈，在银上变色，铜或黄铜上的铜绿，会随着时间的推移削弱金属，导致裂缝或结构失效。但是有三种已知元素可以产生氧化物，实际上可以作为保护屏障来防止任何进一步的氧化：氧化铝，氧化铬和二氧化硅。

麻省理工学院核工程与科学教授，一篇描述新发现的论文的高级作者朱莉说：“我们试图理解为什么氧化铝和二氧化硅是特殊的氧化物，具有优异的耐腐蚀性。” 该论文发表在纳米快报杂志上。

由麻省理工学院研究生杨洋领导的团队使用高度专业化的仪器详细观察涂有这些“特殊”氧化物的金属表面，看看当它们暴露在氧气环境中并处于压力下时会发生什么。虽然大多数透射电子显微镜(TEM)要求在高真空下研究样品，但该团队使用了一种称为环境TEM(E-TEM)的改进版本，该样品允许在存在感兴趣的气体或液体的情况下研究样品。该装置用于研究可导致一种称为应力腐蚀开裂的失效的过程。

如果没有受到保护，金属在反应堆容器内的压力和暴露于过热蒸汽环境的压力下会迅速腐蚀。即使有坚固的保护层，也会形成裂缝，使氧气渗透到裸露的金属表面，然后渗透到构成大块金属材料的金属颗粒之间的界面，进一步腐蚀，可以穿透更深的铅结构失败。“我们想要一种类似液体和抗裂的氧化物，”杨说。

事实证明，旧的备用涂料，即氧化铝，即使在室温下也可以具有液体状流动性，如果它被制成足够薄的层，厚度约为2至3纳米(十亿分之一米) 。

杨传说，“传统上，人们认为金属氧化物会变脆”，并且容易开裂，并解释说没有人证明这一点，因为在现实条件下观察材料的行为是如此困难。这就是布鲁克海文国家实验室的专业E-TEM设置，这是世界上仅有的10个这样的设备之一。“从来没有人观察过它在室温下是如何变形的，”杨说。

“这是我们第一次以近原子分辨率观察到这一点，”李说。这种方法表明，氧化铝层通常很脆，在应力下会破碎，当制作得非常薄时，几乎可以像铝薄金属层一样可变形 - 这一层比铝箔薄得多。Li报告说，当氧化铝被涂覆在散装铝片的表面上时，液体状的流动“保持铝被覆盖”并带有保护层。

研究人员在E-TEM内部证明，带有氧化物涂层的铝可以拉伸到其长度的两倍以上，而不会导致任何裂缝打开，Li说。他说，氧化物“形成一个非常均匀的保形层，保护表面，没有晶界或裂缝，”即使在拉伸的压力下也是如此。从技术上讲，这种材料是一种玻璃，但只要它足够薄，它就像液体一样移动并完全覆盖表面。

“人们无法想象金属氧化物可以延展性，”杨说，指的是金属变形的能力，例如伸展成细线。例如，蓝宝石是一种完全相同的材料，氧化铝，但其块状结晶形式使其成为非常坚固但脆的材料。

Li说，自修复涂层可能具有许多潜在的应用，并注意到其光滑，连续表面的优势，没有可能渗入材料的裂缝或晶界。