Temperguss: Al₂O₃-Dünnfilme verhalten sich beim Strecken wie eine Flüssigkeit

Flüssigkeitsähnliche Superplastizität einer Aluminiumoxidschicht bei Raumtemperatur ( Video ). Sequentielle Fotografien unter einem Transmissionselektronenmikroskop (af) zeigen den Prozess der Überspannung und Selbstheilung eines Oxids unter Spannung in einem Medium mit einem Sauerstoffpartialdruck von 2 × 10 ^–6 Torr. Das Oxid wird zwischen zwei weißen dreieckigen Markierungen gespannt. Der grüne Pfeil auf dem ersten Foto zeigt die Dehnungsrichtung. Im Bild (g) - der gefilterte und vergrößerte Bereich, der durch das orangefarbene Rechteck auf dem Foto (b) angezeigt wird. Das letzte Bild (h) zeigt die Länge der Oxide, die sich zwischen den beiden dreieckigen Markierungen auf dem Foto (a) befinden.

Die meisten Metalle mit Ausnahme von Gold werden in Gegenwart von Wasser an der Luft oxidiert. Auf der Oberfläche von Eisen bilden sich Rost, auf der Oberfläche von Silber Anlauffarben, auf der Oberfläche von Kupfer oder Messing grünliche Patina usw. Im Laufe der Zeit können diese natürlichen chemischen Prozesse das Metall schwächen und zu Rissen oder strukturellen Schäden führen.

Es sind jedoch mehrere spezifische Oxide bekannt, einschließlich Chromoxid, Siliziumoxid und Aluminiumoxid. Diese Substanzen zerstören in Wirklichkeit ihre Metalle / Halbmetalle nicht, sondern schützen sie. Auf der Oberfläche des Materials (Chrom, Silizium und Aluminium) bildet sich eine dünne Oxidschicht, und eine weitere Oxidation findet nicht statt.

Wissenschaftler haben lange vermutet, dass ein dünner Oxidfilm einzigartige Eigenschaften hat. Sie haben sich nicht geirrt.

Dies ist eine wirklich einzigartige und sehr interessante Eigenschaft dieser Oxide, die seit langem für Wissenschaftler von Interesse ist. Wenn wir verstehen, wie und nach welchen Prinzipien solche Filme gebildet werden, können sie laut einer Pressemitteilung des Massachusetts Institute of Technology effektiver als Schutzbeschichtung eingesetzt werden. Ein Film aus Al ₂ O ₃ kann für absolute Dichtheit sorgen und darf kein einziges Molekül verfehlen.

In diesem Fall haben sich die Wissenschaftler jedoch nicht die Aufgabe gestellt, nützliches Material zu entwickeln, sondern wollten einfach mit eigenen Augen sehen, welche einzigartigen Eigenschaften diese Oxide aufweisen. Zum ersten Mal auf der Welt wurde ein Video über das Verhalten eines Al ₂ O ₃ -Films auf einer Aluminiumoberfläche aufgenommen.

Für die Aufnahme haben wir das Standard-Transmissionselektronenmikroskop (TEM) so modifiziert, dass es die Oberfläche in Gegenwart beliebiger Gase und Flüssigkeiten aufnimmt, und es auf die Spitzen der dünnsten Aluminiumnadeln fokussiert, die durch Kaltschweißen geschweißt wurden, dh Druck mit plastischer Verformung der zu verbindenden Oberflächen. Nach dem Schweißen wurden die Nadeln in eine aggressive Sauerstoffumgebung gebracht - und begannen sich seitlich zu dehnen. Daher wurde das Material sowohl gespannt als auch oxidiert - dies wird als "Spannungskorrosion" bezeichnet, und unter solchen Bedingungen ist es besonders interessant, die Rissbildung zu untersuchen.


Darstellung der Zugverformung von Aluminiumoxid in einer aggressiven Umgebung

Wie sich herausstellte, verformt sich Aluminiumoxid tatsächlich wie eine Flüssigkeit und zeigt Superplastizität. Die Oxidbeschichtung wird zusammen mit der Verlängerung des Metalls selbst verlängert. Bei einer durchschnittlichen Zuggeschwindigkeit bildet das Oxid keine Risse. Das folgende Video wird mit einer höheren Spannungskorrosionsrate aufgenommen, wenn das Oxid „selbstheilende“ Eigenschaften aufweist und den Schaden ausfüllt.


Eine dünne Oxidschicht trennt Sauerstoff (rechts) von Aluminiumkörnern (links). Wenn sich das Material dehnt, verlängert sich die Oxidschicht

"Im Gegensatz zum herkömmlichen Prozess des Dünnschichtwachstums oder der Konsolidierung von Nanoglas beobachten wir eine nahtlose Verschmelzung neuer Oxidinseln ohne Bildung von Glas-Glas-Verbindungen oder Oberflächenrillen, was auf eine im Vergleich zu den übrigen deutlich beschleunigte Kinetik von Glas auf der Oberfläche hinweist." Wissenschaftler sagen.

Aluminiumoxid zeigt diese einzigartigen Eigenschaften auch bei Raumtemperatur, wenn sein Film ausreichend dünn ist (2-3 Nanometer). Der Film kann sich mehr als zweimal dehnen. Technisch gesehen ist dieses Material Glas, zeigt aber die Eigenschaften einer Flüssigkeit.

Der wissenschaftliche Artikel wurde am 28. Februar 2018 in der Zeitschrift Nano Letters (doi: 10.1021 / acs.nanolett.8b00068, pdf ) veröffentlicht.