Métal malléable: les films minces d'Al₂O₃ se comportent comme un liquide lorsqu'ils sont étirés

Superplasticité liquide d'une couche d'alumine à température ambiante ( vidéo ). Des photographies successives au microscope électronique à transmission (af) montrent le processus de super-tension et d'auto-guérison d'un oxyde sous tension dans un milieu avec une pression partielle d'oxygène de 2 × 10 ⁻⁶ Torr. L'oxyde est étiré entre deux marques triangulaires blanches. La flèche verte sur la première photo montre la direction de l'étirement. Dans l'image (g) - la zone filtrée et agrandie indiquée par le rectangle orange sur la photo (b). La dernière image (h) montre la longueur des oxydes qui se trouvent entre les deux marqueurs triangulaires de la photographie (a).

La plupart des métaux, à l'exception de l'or, sont oxydés dans l'air en présence d'eau. La rouille se forme à la surface du fer, ternit à la surface de l'argent, patine verdâtre à la surface du cuivre ou du laiton, etc. Au fil du temps, ces processus chimiques naturels peuvent affaiblir le métal, entraînant des fissures ou des dommages structurels.

Mais plusieurs oxydes spécifiques sont connus, dont l'oxyde de chrome, l'oxyde de silicium et l'alumine. En réalité, ces substances ne détruisent pas, mais protègent leurs métaux / demi-métaux. Une fine couche d'oxydes se forme à la surface du matériau (chrome, silicium et aluminium) et l'oxydation ne se poursuit pas.

Les scientifiques soupçonnent depuis longtemps qu'un mince film d'oxyde possède des propriétés uniques. Ils ne se sont pas trompés.

Il s'agit d'une propriété vraiment unique et très intéressante de ces oxydes, et elle intéresse depuis longtemps les scientifiques. Après tout, si nous comprenons comment et selon quels principes la formation de tels films se produit, alors ils peuvent être utilisés plus efficacement comme revêtement protecteur, selon un communiqué de presse du Massachusetts Institute of Technology. Un film d'Al ₂ O ₃ peut fournir une étanchéité absolue et ne pas manquer une seule molécule.

Mais dans ce cas, les scientifiques n'ont pas défini la tâche de développer du matériel utile, mais ont simplement voulu voir de leurs propres yeux quelles propriétés uniques ces oxydes présentent. Pour la première fois au monde, une vidéo a été enregistrée sur le comportement d'un film d'Al ₂ O ₃ sur une surface en aluminium.

Pour la prise de vue, nous avons modifié le microscope électronique à transmission (TEM) standard pour prendre la surface en présence de gaz et de liquides arbitraires, et l'avons concentré sur les pointes des aiguilles en aluminium les plus fines, soudées par soudage à froid, c'est-à-dire la pression avec déformation plastique des surfaces à joindre. Après le soudage, les aiguilles ont été placées dans un environnement d'oxygène agressif - et ont commencé à s'étirer sur les côtés. Ainsi, le matériau a subi à la fois une tension et une oxydation - c'est ce qu'on appelle la «corrosion sous contrainte», et dans de telles conditions, il est particulièrement intéressant d'examiner la formation de fissures.


Illustration d'une déformation en alumine en traction dans un environnement agressif

Il s'est avéré que l'alumine se déforme en fait comme un liquide, présentant une superplasticité. Le revêtement d'oxyde est étendu avec l'extension du métal lui-même. À un taux de traction moyen, l'oxyde ne forme pas de fissures. La vidéo ci-dessous est enregistrée à un taux plus élevé de corrosion sous contrainte lorsque l'oxyde présente des propriétés «d'auto-guérison», comblant les dommages.


Une fine couche d'oxyde sépare l'oxygène (à droite) des grains d'aluminium (à gauche). À mesure que le matériau s'étire, la couche d'oxyde s'allonge

"Contrairement au processus traditionnel de croissance de couches minces ou de consolidation de nanoglasses, nous observons une fusion transparente de nouveaux îlots d'oxyde sans formation de joints verre-verre ou de rainures de surface, ce qui indique une cinétique de verre considérablement accélérée à la surface par rapport au reste," disent les scientifiques.

L'alumine présente ces propriétés uniques même à température ambiante si son film est suffisamment mince (2-3 nanomètres). Le film peut s'étirer plus de deux fois. Techniquement, ce matériau est du verre, mais démontre les propriétés d'un liquide.

L'article scientifique a été publié le 28 février 2018 dans la revue Nano Letters (doi: 10.1021 / acs.nanolett.8b00068, pdf ).