Revelando superelasticidade induzida por oxidação em nanotubos de vidro metálicos


Revelando superelasticidade induzida por oxidação em nanotubos de vidro metálicos

(Esquerda) Foto de nanotubos de vidro metálico fabricados em silício e (direita) imagem de microscopia eletrônica de varredura dos nanotubos de vidro metálico. Crédito: Grupo de pesquisa do Professor Yang Yong / City University of Hong Kong

A oxidação pode degradar as propriedades e funcionalidade dos metais. No entanto, uma equipe de pesquisa co-liderada por cientistas da Universidade da Cidade de Hong Kong (CityU) descobriu recentemente que nanotubos de vidro metálico severamente oxidados podem atingir uma deformação elástica recuperável ultra-alta, superando a maioria dos metais superelásticos convencionais. Eles também descobriram os mecanismos físicos que sustentam essa superelasticidade.

A sua descoberta implica que a oxidação em vidro metálico de baixa dimensão pode resultar em propriedades únicas para aplicações em sensores, dispositivos médicos e outros nanodispositivos. As descobertas foram publicadas em Materiais da Natureza sob o título “Superelasticidade induzida por oxidação em nanotubos de vidro metálicos”.

Nos últimos anos, as propriedades funcionais e mecânicas dos metais de baixa dimensão, incluindo nanopartículas, nanotubos e nanofolhas, têm chamado a atenção pelas suas potenciais aplicações em dispositivos de pequena escala, como sensores, nano-robôs e metamateriais. No entanto, a maioria dos metais são eletroquimicamente ativos e suscetíveis à oxidação em ambientes ambientais, o que muitas vezes degrada as suas propriedades e funcionalidades.

“Os nanomateriais metálicos têm uma alta relação superfície-volume, que pode chegar a 108 eu-1. Então, em princípio, espera-se que sejam particularmente propensos à oxidação”, disse o professor Yang Yong, do Departamento de Engenharia Mecânica da CityU, que liderou a equipe de pesquisa junto com seus colaboradores.

“Para usar metais de baixa dimensão para desenvolver dispositivos e metamateriais de próxima geração, devemos compreender completamente os efeitos adversos da oxidação nas propriedades desses nanomatais e então encontrar uma maneira de superá-los.”

Portanto, o professor Yang e sua equipe investigaram a oxidação em nanomatais e, em nítido contraste com suas expectativas, descobriram que nanotubos e nanofolhas de vidro metálico severamente oxidados podem atingir uma deformação elástica recuperável ultra-alta de até cerca de 14% à temperatura ambiente, o que supera o volume vidros metálicos, nanofios de vidro metálico e muitos outros metais superelásticos.

Revelando superelasticidade induzida por oxidação em nanotubos de vidro metálicos

Imagens de tomografia por sonda atômica 3D do nanotubo de vidro metálico; o painel mais à esquerda destaca a formação de uma rede de oxigênio. Crédito: Grupo de pesquisa do Professor Yang Yong / City University of Hong Kong

Eles fizeram nanotubos de vidro metálico com espessura média de parede de apenas 20 nm e fabricaram nanofolhas a partir de diferentes substratos, como cloreto de sódio, álcool polivinílico e substratos fotorresistentes convencionais, com diferentes níveis de concentração de oxigênio.

Eles então conduziram tomografia por sonda atômica 3D (APT) e medições de espectroscopia de perda de energia de elétrons. Nos resultados, os óxidos foram dispersos dentro dos nanotubos e nanofolhas de vidro metálico, ao contrário dos metais convencionais, nos quais uma camada de óxido sólido se forma na superfície. À medida que a concentração de oxigênio nas amostras aumentou devido às reações metal-substrato, redes de óxido conectadas e percoladas foram formadas dentro dos nanotubos e nanofolhas.

Medições de microcompressão in-situ também revelaram que os nanotubos e nanofolhas de vidro metálico severamente oxidados exibiram uma deformação recuperável de 10% a 20%, que foi várias vezes maior do que a maioria dos metais superelásticos convencionais, como ligas com memória de forma e gomas metálicas. Os nanotubos também tinham um módulo de elasticidade ultrabaixo de cerca de 20–30 GPa.

Para entender o mecanismo por trás disso, a equipe conduziu simulações atomísticas, que indicaram que a superelasticidade se origina da oxidação severa nos nanotubos e pode ser atribuída à formação de uma rede de percolação de nanoóxidos tolerante a danos na estrutura amorfa. Estas redes de óxido não apenas restringem eventos plásticos em escala atômica durante o carregamento, mas também levam à recuperação da rigidez elástica no descarregamento em nanotubos de vidro metálicos.

Revelando superelasticidade induzida por oxidação em nanotubos de vidro metálicos

“Nossa pesquisa introduz uma abordagem de engenharia de nanoóxidos para vidros metálicos de baixa dimensão. A morfologia dos nano-óxidos dentro de nanotubos e nanofolhas de vidro metálico pode ser manipulada ajustando a concentração de óxido, variando de dispersões isoladas a uma rede conectada, “disse o professor Yang. Crédito: Universidade da Cidade de Hong Kong

“Nossa pesquisa introduz uma abordagem de engenharia de nanoóxidos para vidros metálicos de baixa dimensão. A morfologia dos nanoóxidos dentro de nanotubos e nanofolhas de vidro metálico pode ser manipulada ajustando a concentração de óxido, variando de dispersões isoladas a uma rede conectada, “disse Professor Yang.

“Com esta abordagem, podemos desenvolver uma classe de compósitos cerâmico-metálicos nanoestruturados heterogêneos, misturando metais com óxidos em nanoescala. Tais compósitos têm grande potencial para várias aplicações comerciais futuras e nanodispositivos que trabalham em ambientes agressivos, como sensores, dispositivos médicos, micro e nano-robôs, molas e atuadores”, acrescentou.

Mais Informações:
Fucheng Li et al, Superelasticidade induzida por oxidação em nanotubos de vidro metálicos, Materiais da Natureza (2023). DOI: 10.1038/s41563-023-01733-8

Fornecido pela Universidade Municipal de Hong Kong

Citação: Revelando a superelasticidade induzida pela oxidação em nanotubos de vidro metálico (2024, 2 de fevereiro) recuperado em 2 de fevereiro de 2024 em https://phys.org/news/2024-02-unveiling-oxidation-super-elasticity-metallic.html

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