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.
Crédito: Instituto de Tecnología de Massachusetts
La fina capa de recubrimiento debería ser especialmente útil para evitar la fuga de moléculas diminutas que pueden penetrar a través de la mayoría de los materiales, como el gas hidrógeno que podría usarse para impulsar automóviles con pilas de combustible o el tritio radiactivo (una forma pesada de hidrógeno) que se forma en el interior. 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, deslustre en la plata y verdín en el cobre o el latón, puede debilitar el metal con el tiempo y provocar grietas o fallas estructurales. Pero hay tres elementos conocidos que producen un óxido que en realidad puede servir como barrera protectora para prevenir cualquier oxidación adicional: óxido de aluminio , óxido de cromo y dióxido de silicio.
Ju Li, profesor de ingeniería y ciencia nuclear 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 brindan una excelente resistencia a la corrosión". El artículo aparece en la revista Nano Letters .
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 ambiente de oxígeno y se les somete a estrés. Si bien la mayoría de los microscopios electrónicos de transmisión (TEM) requieren que las muestras se estudien en 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 utilizó para estudiar el proceso que puede conducir a un tipo de falla conocida como agrietamiento por corrosión bajo tensión.
Los metales sometidos a tensión por la presión dentro de la vasija de un reactor y expuestos a un entorno de vapor sobrecalentado pueden corroerse rápidamente si no se protegen. Incluso con una capa protectora sólida, se pueden formar grietas que permiten que el oxígeno penetre hasta la superficie del metal desnudo, donde luego puede penetrar en las interfaces entre los granos de metal que forman un material metálico a granel, lo que provoca una mayor corrosión que puede penetrar más profundamente y conducir. a fallas estructurales. "Queremos un óxido que sea similar a un líquido y resistente a las grietas", dice Yang.
Resulta que el antiguo material de revestimiento de reserva, el óxido de aluminio, puede tener ese comportamiento de flujo similar al de un líquido, incluso a temperatura ambiente, si se convierte en una capa lo suficientemente delgada, de aproximadamente 2 a 3 nanómetros (mil millonésimas de metro) de espesor. .
"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 entró en juego la configuración especializada de E-TEM en el Laboratorio Nacional Brookhaven, uno de los 10 dispositivos de este tipo en el mundo. "Nadie había observado nunca cómo se deforma a temperatura ambiente", dice Yang.
"Por primera vez, hemos observado esto con 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 excesivamente delgada es casi tan deformable como una capa comparativamente delgada de aluminio metálico, una capa mucho más delgada que el papel de aluminio. Cuando el óxido de aluminio se recubre sobre una superficie de una pieza a granel de aluminio, el flujo similar a un 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 se podía estirar a más del doble de su longitud sin que se abrieran grietas, dice Li. El óxido "forma una capa conformada 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 pueda ser dúctil", dice Yang, refiriéndose a la capacidad de un metal para deformarse, como estirarse en un alambre delgado. Por ejemplo, el zafiro es una forma de exactamente el mismo material, óxido de aluminio, pero su forma cristalina a granel lo convierte en un material muy fuerte pero quebradizo.
El recubrimiento autorreparable podría tener muchas aplicaciones potenciales, dice Li, y destaca la ventaja de su superficie lisa y continua sin grietas ni bordes de grano que puedan penetrar en el material.
Fuente: phys