Новое применение алюминия
Исследователи обнаружили, что твердое антикоррозионное защитное покрытие для металлов на основе оксида, при нанесении достаточно тонким слоем деформируется и в дальнейшем ведет себя подобно жидкости, заполняя все трещины и зазоры по мере их образования. Статья об этом вышла в научном журнале Nano Letters.
Такое покрытие экономично и эффективно, оно должно быть особенно полезно для предотвращения проникновения сквозь материал крошечных молекул, которые могут просачиваться сквозь большинство веществ. Это газообразный водород, который сейчас активно используется в качестве топлива для автомобильных двигателей, а также другой изотоп водорода - радиоактивный тритий, с ним приходится иметь дело внутри реакторов атомных электростанций.
Большинство металлов, за исключением благородных (платина, золото, серебро и несколько других), имеют тенденцию к окислению при воздействии кислорода воздуха и воды. Эта реакция, которая приводит к возникновению ржавчины на железе или патины на меди, может со временем ослабить металл и привести к повреждениям поверхности (трещины) и даже структурному разрушению детали. Однако есть три химических элемента, которые также образуют оксиды, но они фактически служат защитным барьером и предохраняют металл от дальнейшего окисления - это алюминий, хром и кремний. Наверняка все видели в быту на алюминиевых кастрюлях, бидонах и прочих предметах домашнего обихода тусклый налет. Это как раз оксид, тонкая пленка, предотвращающая окисление.
Хотя такая посуда вредна для здоровья из-за самого алюминия и других сопутствующих токсичных металлов, она по-прежнему широко используется в России.
Профессор Жу Ли (Ju Li), занимающийся физикой в Массачусетском технологическом институте, главный автор исследования, рассказал, что их главной целью было понять, почему оксид алюминия и диоксид кремния показывают отличия от всех остальных оксидов, обеспечивая материалу коррозионную стойкость.
Команда использовала узкоспециализированные инструменты для наблюдения при большом увеличении поверхности металлов, покрытых этими специфическими оксидами, чтобы увидеть происходящее при воздействии кислородной среды, а также при различных деформациях поверхности.
Обычно для наблюдения используются просвечивающие или трансмиссионные электронные микроскопы (Transmission electron microscopy, TEM), однако они требуют нахождения образцов в вакууме, поэтому команде пришлось использовать модифицированную версию под названием E-TEM. Этот микроскоп позволяет исследовать поверхность материала в присутствии газа или жидкости, представляющих интерес ученых. E-TEM использовался для изучения процесса разрушения детали при нагружении, при котором происходит характерное растрескивание.
Детали из металлов, находящиеся под давлением внутри реактора атомной электростанции в среде перегретого пара, могут быстро корродировать, если они не защищены специальными покрытиями. Но даже с прочным защитным слоем могут образовываться трещины, через которые кислород может проникать к металлу, вызывать окисление, приводящее к дальнейшему разрушению поверхности, а в дальнейшем - к структурной деформации, выходу детали из строя.
Было бы хорошо иметь такое покрытие, которое бы “затягивало” трещины, подобно тому как их заполняет жидкость. Оказалось, что всем известный оксид алюминия имеет именно такое поведение, и даже при комнатной температуре он ведет себя как жидкость. Происходит это при использовании тонкой пленки материала толщиной 2-3 нанометра.
Тонкий слой оксида алюминия отделяет газообразный кислородный (справа) и два алюминиевых металлических зерна (слева). По мере растяжения металла оксидный слой удлиняется:
Традиционно многие думают, что оксид металла это хрупкое вещество, подверженное растрескиванию, потому что никто не видел иного поведения этого материала. Например, всем известный сапфир это твердая форма именно оксида алюминия, но его объемная кристаллическая форма делает его очень прочным, но хрупким материалом.
Однако в реальных условиях с помощью специализированного микроскопа E-TEM, одного из всего десяти подобных устройств в мире, в Брукхейвенской национальной лаборатории в Алтоне (США) у ученых получилось зафиксировать такое поведение оксида, которого от него не ждали.
Впервые за процессом наблюдали в столь высоком, почти что атомном разрешении. Оксида алюминия, покрывающий металл, подобно жидкости растягивается более чем в два раза, не допуская трещин в самой пленке и защищая трещины основного материала. Образуется очень однородный пластичный слой, напоминающий жидкое стекло. Все это происходило только только при минимальной толщине оксида.
Подобное изоляционное покрытие иметь множество потенциальных применений в самых разных областях. Алюминий, известные уже не первый век, находит свое новое применение.
