Nature: В нанотрубках обнаружена сверхэластичность, вызванная окислением

Окисление может ухудшить свойства и функциональность металлов. Однако недавно исследовательская группа под руководством ученых из Городского университета Гонконга обнаружила, что сильно окисленные нанотрубки из металлического стекла могут достигать сверхвысокой восстанавливаемой упругой деформации, превосходящей большинство обычных сверхэластичных металлов.

Они также обнаружили физические механизмы, лежащие в основе этой сверхэластичности. Их открытие означает, что окисление в низкоразмерном металлическом стекле может привести к уникальным свойствам для применения в датчиках, медицинских приборах и других наноустройствах.

В последние годы функциональные и механические свойства низкоразмерных металлов, включая наночастицы, нанотрубки и нанолисты, привлекли внимание в связи с их потенциальным применением в малогабаритных устройствах, таких как датчики, нанороботы и метаматериалы. Однако большинство металлов электрохимически активны и подвержены окислению в окружающей среде, что часто ухудшает их свойства и функциональные возможности.

Металлические наноматериалы имеют высокое отношение поверхности к объему, которое может достигать 108 м-1. Поэтому в принципе ожидается, что они будут особенно подвержены окислению, — говорит профессор Ян Йонг с факультета машиностроения CityU, который вместе с коллегами возглавил исследовательскую группу.

Чтобы использовать низкоразмерные металлы для создания устройств следующего поколения и метаматериалов, мы должны тщательно изучить негативные последствия окисления для свойств этих нанометров, а затем найти способ их преодолеть.

Поэтому профессор Ян и его команда исследовали окисление в нанометрах и, резко противореча своим ожиданиям, обнаружили, что сильно окисленные нанотрубки и нанолисты из металлического стекла могут достигать сверхвысокой восстанавливаемой упругой деформации около 14% при комнатной температуре, что превосходит объемные металлические стекла, нанопроволоки из металлического стекла и многие другие сверхэластичные металлы.

Они изготовили нанотрубки из металлического стекла со средней толщиной стенок всего 20 нм и сконструировали нанолисты из различных подложек, таких как хлорид натрия, поливиниловый спирт и обычные подложки для фоторезиста, с разным уровнем концентрации кислорода.

Затем они провели трехмерные измерения с помощью атомной зондовой томографии (APT) и спектроскопии потерь энергии электронов. В обоих случаях оксиды были диспергированы внутри металлических стеклянных нанотрубок и нанолистов, в отличие от обычных объемных металлов, в которых твердый оксидный слой образуется на поверхности. По мере увеличения концентрации кислорода в образцах в результате реакций между металлом и подложкой внутри нанотрубок и нанолистов формировались связанные и перколирующие оксидные сети.

Измерения микросжатия in-situ также показали, что сильно окисленные нанотрубки и нанолисты из металлического стекла демонстрируют восстанавливаемую деформацию 10-20%, что в несколько раз больше, чем у большинства обычных сверхэластичных металлов, таких как сплавы с памятью формы и десневые металлы. Нанотрубки также обладали сверхнизким модулем упругости — около 20-30 ГПа.

Чтобы понять механизм, лежащий в основе этого явления, команда провела атомистическое моделирование, которое показало, что сверхэластичность возникает в результате сильного окисления нанотрубок и может быть связана с образованием устойчивой к повреждениям перколяционной сети нанооксидов в аморфной структуре. Эти оксидные сети не только ограничивают атомно-масштабные пластические явления при нагрузке, но и приводят к восстановлению упругой жесткости при разгрузке в металлических стеклянных нанотрубках.

Наше исследование представляет подход к нанооксидной инженерии для низкоразмерных металлических стекол. Морфологией нанооксидов в нанотрубках и нанолистах из металлического стекла можно манипулировать, регулируя концентрацию оксидов: от изолированной дисперсии до связанной сети, — говорит профессор Янг.

С помощью этого подхода мы можем разработать класс гетерогенных наноструктурированных металлокерамических композитов, смешивая металлы с оксидами на наноуровне. Такие композиты имеют большой потенциал для различных будущих коммерческих применений и наноустройств, работающих в жестких условиях, таких как датчики, медицинские устройства, микро- и нанороботы, пружины и приводы.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Materials.

02.02.2024


Подписаться в Telegram



Нано

JACS: Инфракрасное облучение заставляет атомы «танцевать румбу»
JACS: Инфракрасное облучение заставляет атомы «танцевать румбу»

Когда молекулы облучают инфракрасным светом, о...

ACS Applied Nano Materials: Наноструктуры Au-BiFeO3 сделают планету чище
ACS Applied Nano Materials: Наноструктуры Au-BiFeO3 сделают планету чище

Потребность в устойчивых и экологичн...

ASC Nano: Ученые придумали, как свернуть нанолист в рулончик
ASC Nano: Ученые придумали, как свернуть нанолист в рулончик

Исследователи из Токийского столичного ун...

Nano Letters: Вибрирующие нанопузырьки помогут усовершенствовать очистку воды
Nano Letters: Вибрирующие нанопузырьки помогут усовершенствовать очистку воды

Новое исследование физики вибрирующих нанопузы...

Nature Nanotechnology: Замена асбеста в строительстве оказалась не менее опасной
Nature Nanotechnology: Замена асбеста в строительстве оказалась не менее опасной

Патогенный потенциал вдыхания инертных волокни...

Nano Letters: Уязвимость ГЭБ у пациентов с Альцгеймером используют для лечения
Nano Letters: Уязвимость ГЭБ у пациентов с Альцгеймером используют для лечения

Нейродегенеративными заболеваниями, такими как...

Electrochemistry Communications: Из нанопагод ZnO разработан фотоэлектрод
Electrochemistry Communications: Из нанопагод ZnO разработан фотоэлектрод

Исследовательская группа, состоящая из со...

LS&A: Исследователи усилили передачу сигнала в перовскитовых нанолистах
LS&A: Исследователи усилили передачу сигнала в перовскитовых нанолистах

Перовскитовые материалы по-прежнему вызывают б...

Nature Communications: В модельном организме ученые нашли наноструктуры
Nature Communications: В модельном организме ученые нашли наноструктуры

У всех представителей животного царства есть ж...

PNAS: Ученые применили нанотехнологии для понимания поведения опухолей
PNAS: Ученые применили нанотехнологии для понимания поведения опухолей

Исследование, проведенное докторантом Пабло С....

Small: Форма пропеллера поможет обуздать движение наночастиц
Small: Форма пропеллера поможет обуздать движение наночастиц

Самодвижущиеся наночастицы потенциально могут ...

Science Advances: Нанопластики способствуют развитию болезни Паркинсона
Science Advances: Нанопластики способствуют развитию болезни Паркинсона

Нанопластики взаимодействуют с особым бел...

Nature Materials: Из наночастиц и ДНК ученые собрали квазикристалл
Nature Materials: Из наночастиц и ДНК ученые собрали квазикристалл

Наноинженеры создали квазикристалл &mdash...

Physical Review Fluids: Волновую механику применили в нанометровом масштабе
Physical Review Fluids: Волновую механику применили в нанометровом масштабе

Исследователи показали, что принципы рабо...

Исследователи создали нанопленку, укрощающую огонь
Исследователи создали нанопленку, укрощающую огонь

Высокотемпературное пламя используется для&nbs...

Ученые разработали нанотатуировки для наблюдения за клетками
Ученые разработали нанотатуировки для наблюдения за клетками

Инженеры разработали наноразмерные татуировки&...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

JCI: Тяжелая форма COVID-19, возможно, связана с аутоантителами
JCI: Тяжелая форма COVID-19, возможно, связана с аутоантителами
Разгадана тайна снижения производительности перспективного катодного материала
Разгадана тайна снижения производительности перспективного катодного материала
Каждый четвертый родитель говорит, что ребенок не может уснуть из-за тревоги
Каждый четвертый родитель говорит, что ребенок не может уснуть из-за тревоги
Nature Neuroscience: Ученые доказали, что терпение приносит свои плоды
Nature Neuroscience: Ученые доказали, что терпение приносит свои плоды
Познакомьтесь со странной амфибией, которая выкармливает своих детенышей молоком
Познакомьтесь со странной амфибией, которая выкармливает своих детенышей молоком
Богатый белком рацион меняет микробиом кишечника и общее состояние организма
Богатый белком рацион меняет микробиом кишечника и общее состояние организма
Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии
Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии
В 40% случаев люди ошибочно называют сгенерированное фото человека реальным
В 40% случаев люди ошибочно называют сгенерированное фото человека реальным
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Высокоточные измерения ставят под сомнение наше понимание Цефеид
Высокоточные измерения ставят под сомнение наше понимание Цефеид
Останется ли магний снотворным для кузнечиков в результате потепления?
Останется ли магний снотворным для кузнечиков в результате потепления?
Nature Communications: В мигрирующих нейронах найден конус роста
Nature Communications: В мигрирующих нейронах найден конус роста
Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм
Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм
Current Biology: Исследование брачного поведения показывает эволюцию влечения
Current Biology: Исследование брачного поведения показывает эволюцию влечения
BioDesign Research: Для производства каротиноидов разработали специальные дрожжи
BioDesign Research: Для производства каротиноидов разработали специальные дрожжи

Новости компаний, релизы

Новая "Кантиана" поможет студентам быстрее адаптироваться к калининградскому климату
Российские ученые предложили тушить пожары с помощью газогидратного огнетушителя
Минералоги СПбГУ нашли на острове Диско возможный источник фосфора для возникновения первых живых организмов
Московский Политех внедряет ИИ для повышения эффективности приемной кампании и трансформации обучения
Астрономы СПбГУ узнали возраст одного из самых мощных метеорных потоков