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.