Logam lunak: Film tipis Al₂O₃ berperilaku seperti cairan ketika diregangkan

Superplastisitas cair seperti lapisan alumina pada suhu kamar ( video ). Foto berurutan di bawah mikroskop elektron transmisi (af) menunjukkan proses super-ketegangan dan penyembuhan sendiri oksida di bawah tekanan dalam media dengan tekanan parsial oksigen 2 × 10 ⁻⁶ Torr. Oksida membentang di antara dua tanda segitiga putih. Panah hijau di foto pertama menunjukkan arah peregangan. Pada gambar (g) - area yang difilter dan diperbesar ditunjukkan oleh persegi panjang oranye di foto (b). Gambar terakhir (h) menunjukkan panjang oksida yang berada di antara dua penanda segitiga dari foto (a).

Sebagian besar logam, kecuali emas, teroksidasi di udara dengan adanya air. Karat terbentuk di permukaan besi, ternoda pada permukaan perak, patina kehijauan di permukaan tembaga atau kuningan, dll. Seiring waktu, proses kimia alami ini dapat melemahkan logam, yang menyebabkan keretakan atau kerusakan struktural.

Tetapi beberapa oksida spesifik diketahui, termasuk kromium oksida, silikon oksida, dan alumina. Zat-zat ini pada kenyataannya tidak merusak, tetapi melindungi logam / semimetalnya. Lapisan oksida yang tipis terbentuk pada permukaan material (kromium, silikon dan aluminium), dan oksidasi lebih lanjut tidak terjadi.

Para ilmuwan telah lama menduga bahwa film oksida tipis memiliki sifat unik. Mereka tidak salah.

Ini adalah sifat yang benar-benar unik dan sangat menarik dari oksida ini, dan telah lama menarik bagi para ilmuwan. Lagi pula, jika kita memahami bagaimana dan dengan prinsip apa pembentukan film-film seperti itu terjadi, maka mereka dapat lebih efektif digunakan sebagai lapisan pelindung, menurut siaran pers dari Massachusetts Institute of Technology. Sebuah film Al ₂ O ₃ dapat memberikan keketatan mutlak dan tidak melewatkan satu molekul pun.

Tetapi dalam kasus ini, para ilmuwan tidak menetapkan tugas untuk mengembangkan beberapa bahan yang bermanfaat, tetapi hanya ingin melihat dengan mata kepala sendiri sifat unik apa yang ditunjukkan oleh oksida ini. Untuk pertama kalinya di dunia, sebuah video direkam tentang perilaku sebuah film Al ₂ O ₃ pada permukaan aluminium.

Untuk pemotretan, kami memodifikasi mikroskop elektron transmisi standar (TEM) untuk mengambil permukaan dengan adanya gas dan cairan yang berubah-ubah, dan memfokuskannya pada ujung jarum aluminium tertipis, dilas dengan pengelasan dingin, mis. Tekanan dengan deformasi plastis permukaan yang akan disatukan. Setelah pengelasan, jarum ditempatkan di lingkungan oksigen yang agresif - dan mulai meregang ke samping. Dengan demikian, bahan mengalami ketegangan dan oksidasi - ini disebut "korosi tegangan", dan dalam kondisi seperti itu sangat menarik untuk melihat pembentukan retak.


Ilustrasi deformasi alumina tarik dalam lingkungan yang agresif

Ternyata, alumina sebenarnya berubah bentuk seperti cairan, menunjukkan superplastisitas. Lapisan oksida diperpanjang bersama dengan ekstensi logam itu sendiri. Pada kecepatan tarik rata-rata, oksida tidak membentuk retakan. Video di bawah ini direkam pada tingkat yang lebih tinggi dari korosi tegangan ketika oksida menunjukkan sifat "penyembuhan sendiri", mengisi kerusakan.


Lapisan oksida tipis memisahkan oksigen (di sebelah kanan) dari butiran aluminium (di sebelah kiri). Saat bahan membentang, lapisan oksida memanjang

"Tidak seperti proses tradisional pertumbuhan film tipis atau konsolidasi nanoglass, kami mengamati perpaduan mulus pulau oksida baru tanpa pembentukan sambungan kaca-kaca atau alur permukaan, yang menunjukkan kinetika kaca yang dipercepat secara signifikan di permukaan dibandingkan dengan yang lainnya," kata para ilmuwan.

Alumina menunjukkan sifat-sifat unik ini bahkan pada suhu kamar jika filmnya cukup tipis (2-3 nanometer). Film ini mampu meregangkan lebih dari dua kali. Secara teknis, bahan ini adalah kaca, tetapi menunjukkan sifat cairan.

Artikel ilmiah ini diterbitkan pada 28 Februari 2018 dalam jurnal Nano Letters (doi: 10.1021 / acs.nanolett.8b00068, pdf ).