Пластичный металл: тонкие плёнки Al₂O₃ под напряжением ведут себя как жидкость
Жидкоподобная сверхпластичность слоя оксида алюминия при комнатной температуре (видео). Последовательные фотографии под просвечивающим туннельным микроскопом (a-f) показывают процесс сверхрастяжения и самозаживления оксида при растяжении в среде с парциальным давлением кислорода 2×10−6 торр. Растягивается оксид между двумя белыми треугольными пометками. Зелёная стрелка на первой фотографии показывает направление растяжения. На изображении (g) — отфильтрованный и увеличенный участок, обозначенный оранжевым прямоугольником на фотографии (b). На последнем изображении (h) показана длина оксидов, которые находятся между двумя треугольными маркерами с фотографии (a).
Большинство металлов, за исключением золота, окисляются на воздухе в присутствии воды. На поверхности железа образуется ржавчина, на поверхности серебра — потускнение, на поверхности меди или латуни — зеленоватая ярь-медянка и т.д. Со временем эти естественные химические процессы могут ослабить металл, что ведёт к появлению трещин или структурному разрушению.
Но известны три особенных оксида: оксид хрома, оксид кремния и оксид алюминия. Эти вещества в реальности не разрушают, а защищают свои металлы. Тонкий слой оксидов образуется на поверхности материала (хрома, кремния и алюминия), а дальше окисление не идёт.
Учёные давно подозревали, что тонкая плёнка оксида обладает уникальными свойствами. Они не ошиблись.
Это действительно уникальное и очень интересное свойство данных оксидов, и оно давно интересует учёных. Ведь если мы поймём, как и по каким принципам происходит образование таких плёнок, то их можно более эффективно использовать как защитное покрытие, говорится в пресс-релизе Массачусетского технологического института. Плёнка из Al2O3 может обеспечить абсолютную герметичность и не пропустить ни единой молекулы.
Но в данном случае учёные не ставили задачи разработать какой-то полезный материал, а просто хотели увидеть своими глазами, какие уникальные свойства проявляют эти оксиды. Впервые в мире сделана видеозапись поведения плёнки Al2O3 на поверхности алюминия.
Для съёмки модифицировали стандартный просвечивающий туннельный микроскоп (TEM), чтобы он снимал поверхность в присутствии произвольных газов и жидкостей, и сфокусировали его на кончиках тончайших алюминиевых иголок, сваренных методом холодной сварки, то есть давлением с пластическим деформированием соединяемых поверхностей. После сварки иголки поместили в агрессивную кислородную среду — и начали растягивать в стороны. Таким образом, материал одновременно подвергся растяжению и окислению — это называется «коррозия под напряжением», и в таких условиях особенно интересно посмотреть на трещинообразование.
Иллюстрация деформации оксида алюминия при растяжении в агрессивной окружающей среде
Как выяснилось, оксид алюминия в самом деле деформируется словно жидкость, проявляя сверхпластичность. Защитное покрытие из оксида удлиняется вместе с удлинением самого металла. На средней скорости растяжения оксид не образует никаких трещин. Видео внизу записано на более высокой скорости коррозии под напряжением, когда оксид проявляет свойства «самозаживления», заполняя повреждения.
Тонкий слой оксида отделяет кислород (справа) от алюминиевых зёрен (слева). По мере растяжения материала слой оксида удлиняется
«В отличие от традиционного процесса роста тонких плёнок или консолидации наностекла, мы наблюдаем бесшовное срастание новых оксидных островков без образования каких-либо стыков стекло-стекло или поверхностных канавок, что указывает на значительно ускоренную кинетику стекла на поверхности по сравнению с остальной частью», — отмечают учёные.
Эти уникальные свойства оксид алюминия проявляет даже при комнатной температуре, если его плёнка достаточно тонка (2–3 нанометра). Плёнка способна растянуться более чем вдвое. Технически, этот материал представляет собой стекло, но демонстрирует свойства жидкости.
Научная статья опубликована 28 февраля 2018 года в журнале Nano Letters (doi: 10.1021/acs.nanolett.8b00068, pdf).
