L’oxydation peut dégrader les propriétés et la fonctionnalité des métaux. Cependant, une équipe de recherche codirigée par des scientifiques de la City University de Hong Kong (CityU) a récemment découvert que les nanotubes de verre métallique gravement oxydés peuvent atteindre une déformation élastique ultra-élevée récupérable, surpassant la plupart des métaux super-élastiques conventionnels. Ils ont également découvert les mécanismes physiques qui sous-tendent cette super-élasticité.
Leur découverte implique que l’oxydation du verre métallique de faible dimension peut entraîner des propriétés uniques pour des applications dans les capteurs, les dispositifs médicaux et autres nanodispositifs. Le résultats ont été publiés dans Matériaux naturels sous le titre « Superélasticité induite par l’oxydation dans les nanotubes de verre métallique ».
Ces dernières années, les propriétés fonctionnelles et mécaniques des métaux de faible dimension, notamment les nanoparticules, les nanotubes et les nanofeuilles, ont attiré l’attention en raison de leurs applications potentielles dans des dispositifs à petite échelle, tels que des capteurs, des nanorobots et des métamatériaux. Cependant, la plupart des métaux sont électrochimiquement actifs et susceptibles de s’oxyder dans les environnements ambiants, ce qui dégrade souvent leurs propriétés et fonctionnalités.
« Les nanomatériaux métalliques ont un rapport surface/volume élevé, qui peut atteindre 108 m-1. On s’attend donc en principe à ce qu’ils soient particulièrement sujets à l’oxydation », a déclaré le professeur Yang Yong, du département de génie mécanique de l’Université de Washington. CityU, qui a dirigé l’équipe de recherche avec ses collaborateurs.
« Pour utiliser des métaux de faible dimension afin de développer des dispositifs et des métamatériaux de nouvelle génération, nous devons bien comprendre les effets néfastes de l’oxydation sur les propriétés de ces nanométaux, puis trouver un moyen de les surmonter. »
Par conséquent, le professeur Yang et son équipe ont étudié l’oxydation des nanométaux et, contrairement à leurs attentes, ils ont découvert que les nanotubes et nanofeuilles de verre métallique gravement oxydés peuvent atteindre une déformation élastique ultra-élevée récupérable allant jusqu’à environ 14 % à température ambiante, ce qui surpasse la masse. verres métalliques, nanofils de verre métallique et de nombreux autres métaux super-élastiques.
Ils ont fabriqué des nanotubes de verre métallique avec une épaisseur de paroi moyenne de seulement 20 nm et des nanofeuilles à partir de différents substrats, tels que le chlorure de sodium, l’alcool polyvinylique et des substrats photorésistants conventionnels, avec différents niveaux de concentration en oxygène.
Ils ont ensuite effectué des mesures de tomographie par sonde atomique (APT) 3D et de spectroscopie de perte d’énergie électronique. Dans les résultats, les oxydes ont été dispersés dans les nanotubes et nanofeuilles de verre métallique, contrairement aux métaux en vrac conventionnels, dans lesquels une couche d’oxyde solide se forme à la surface. À mesure que la concentration en oxygène dans les échantillons augmentait en raison des réactions métal-substrat, des réseaux d’oxydes connectés et percolants se formaient à l’intérieur des nanotubes et des nanofeuilles.
Les mesures de microcompression in situ ont également révélé que les nanotubes et nanofeuilles de verre métallique gravement oxydés présentaient une déformation récupérable de 10 à 20 %, soit plusieurs fois supérieure à celle de la plupart des métaux superélastiques conventionnels, tels que les alliages à mémoire de forme et les gommes métalliques. Les nanotubes avaient également un module d’élasticité ultra-faible d’environ 20 à 30 GPa.
Pour comprendre le mécanisme derrière cela, l’équipe a mené des simulations atomistiques, qui ont indiqué que la superélasticité provenait d’une oxydation sévère dans les nanotubes et pouvait être attribuée à la formation d’un réseau de percolation de nano-oxydes tolérant aux dommages dans la structure amorphe. Ces réseaux d’oxydes limitent non seulement les événements plastiques à l’échelle atomique lors du chargement, mais conduisent également à la récupération de la rigidité élastique lors du déchargement dans les nanotubes de verre métallique.
« Notre recherche introduit une approche d’ingénierie des nano-oxydes pour les verres métalliques de faible dimension. La morphologie des nano-oxydes dans les nanotubes et nanofeuilles de verre métallique peut être manipulée en ajustant la concentration d’oxyde, allant de dispersions isolées à un réseau connecté », a déclaré Professeur Yang.
« Grâce à cette approche, nous pouvons développer une classe de composites céramiques-métal nanostructurés hétérogènes en mélangeant des métaux avec des oxydes à l’échelle nanométrique. De tels composites ont un grand potentiel pour diverses applications commerciales futures et des nanodispositifs fonctionnant dans des environnements difficiles, tels que des capteurs, des dispositifs médicaux, micro et nano-robots, ressorts et actionneurs », a-t-il ajouté.
Plus d’information:
Fucheng Li et al, Superélasticité induite par l’oxydation dans les nanotubes de verre métallique, Matériaux naturels (2023). DOI : 10.1038/s41563-023-01733-8