揭示金属玻璃纳米管氧化诱导的超弹性

氧化会降低金属的性能和功能。然而，由香港城市大学（城大）科学家共同领导的一个研究小组最近发现，严重氧化的金属玻璃纳米管可以获得超高的可恢复弹性应变，优于大多数传统的超弹性金属。他们还发现了支撑这种超弹性的物理机制

他们的发现表明，低维金属玻璃中的氧化可以为传感器、医疗设备和其他纳米设备的应用带来独特的性能。这一发现发表在《自然材料》杂志上，标题为“金属玻璃纳米管中的氧化诱导超弹性”。

近年来，包括纳米颗粒、纳米管和纳米片在内的低维金属的功能和机械性能因其在传感器、，纳米机器人和超材料。然而，大多数金属具有电化学活性，在周围环境中易被氧化，这往往会降低其性能和功能

“金属纳米材料具有高的表面体积比，最高可达108 m-1。因此，原则上，它们特别容易被氧化，”城市大学机械工程系的杨勇教授说，他与合作者一起领导了该研究团队。

“为了使用低维金属开发下一代设备和超材料，我们必须彻底了解氧化对这些纳米材料性能的不利影响，然后找到克服它们的方法。“

因此，杨教授和他的团队研究了纳米氧化，与他们的预期形成鲜明对比的是，他们发现严重氧化的金属玻璃纳米管和纳米片在室温下可以获得高达约14%的超高可恢复弹性应变，这比大块金属玻璃、金属玻璃纳米线和许多其他超弹性材料都要好金属

他们制造了平均壁厚仅为20 nm的金属玻璃纳米管，并用不同的基材（如氯化钠、聚乙烯醇和传统的光致抗蚀剂基材）制造了具有不同氧气浓度的纳米片

然后他们进行了三维原子探针断层扫描（APT）和电子能量损失光谱测量。在结果中，氧化物分散在金属玻璃纳米管和纳米片中，这与传统的大块金属不同，传统的块金属在表面形成固体氧化物层。由于金属-基底反应，样品中的氧浓度增加，纳米管和纳米片内部形成了连接和渗透的氧化物网络

原位微压缩测量还显示，严重氧化的金属玻璃纳米管和纳米片表现出10%–20%的可恢复应变，这是大多数传统超弹性金属（如形状记忆合金和树胶金属）的数倍。纳米管还具有约20-30的超低弹性模量 GPa

为了理解这背后的机制，该团队进行了原子模拟，结果表明超弹性源于纳米管中的严重氧化，可归因于非晶结构中纳米氧化物的耐损伤渗流网络的形成。这些氧化物网络不仅限制了加载过程中原子尺度的塑性事件，而且导致金属玻璃纳米管在卸载时弹性刚度的恢复

杨教授说：“我们的研究为低维金属玻璃引入了一种纳米氧化物工程方法。金属玻璃纳米管和纳米片中纳米氧化物的形态可以通过调整氧化物浓度来控制，从孤立的分散体到连接的网络。”

“通过这种方法，我们可以通过在纳米尺度上将金属与氧化物混合，开发出一类异质性纳米结构陶瓷-金属复合材料。这种复合材料在未来的各种商业应用和在恶劣环境中工作的纳米设备中具有巨大潜力，如传感器、医疗设备、微纳机器人、弹簧和致动器，”他补充道