A oxidação pode degradar as propriedades e funcionalidade dos metais. No entanto, uma equipe de pesquisa co-liderada por cientistas da City University of Hong Kong (CityU) descobriu recentemente que nanotubos de vidro metálico severamente oxidados podem atingir uma deformação elástica recuperável ultra-alta, superando a maioria dos metais superelásticos convencionais. Eles também descobriram os mecanismos físicos que sustentam essa superelasticidade.



A sua descoberta implica que a oxidação em vidro metálico de baixa dimensão pode resultar em propriedades únicas para aplicações em sensores, dispositivos médicos e outros nanodispositivos. As descobertas foram publicadas na Nature Materials sob o título "Superelasticidade induzida por oxidação em nanotubos de vidro metálicos".

Nos últimos anos, as propriedades funcionais e mecânicas de metais de baixa dimensão, incluindo nanopartículas, nanotubos e nanofolhas, têm chamado a atenção pelas suas potenciais aplicações em dispositivos de pequena escala, como sensores, nano-robôs e metamateriais. No entanto, a maioria dos metais são eletroquimicamente ativos e suscetíveis à oxidação em ambientes ambientais, o que muitas vezes degrada as suas propriedades e funcionalidades.

"Os nanomateriais metálicos têm uma alta relação superfície-volume, que pode chegar a 10 ⁸ m ^-1 . Então, em princípio, espera-se que sejam particularmente propensos à oxidação", disse o professor Yang Yong, do Departamento de Engenharia Mecânica da CityU, que liderou a equipe de pesquisa junto com seus colaboradores.

"Para usar metais de baixa dimensão para desenvolver dispositivos e metamateriais de próxima geração, devemos compreender completamente os efeitos adversos da oxidação nas propriedades desses nanomatais e então encontrar uma maneira de superá-los."

Portanto, o professor Yang e sua equipe investigaram a oxidação em nanomatais e, em nítido contraste com suas expectativas, descobriram que nanotubos e nanofolhas de vidro metálico severamente oxidados podem atingir uma deformação elástica recuperável ultra-alta de até cerca de 14% à temperatura ambiente, o que supera o volume vidros metálicos, nanofios de vidro metálico e muitos outros metais superelásticos.

Eles fizeram nanotubos de vidro metálico com espessura média de parede de apenas 20 nm e fabricaram nanofolhas a partir de diferentes substratos, como cloreto de sódio, álcool polivinílico e substratos fotorresistentes convencionais, com diferentes níveis de concentração de oxigênio.

Eles então conduziram tomografia por sonda atômica 3D (APT) e medições de espectroscopia de perda de energia de elétrons. Nos resultados, os óxidos foram dispersos dentro dos nanotubos e nanofolhas de vidro metálico, ao contrário dos metais convencionais, nos quais uma camada de óxido sólido se forma na superfície. À medida que a concentração de oxigênio nas amostras aumentou devido às reações metal-substrato, redes de óxido conectadas e percoladas foram formadas dentro dos nanotubos e nanofolhas.

Medições de microcompressão in-situ também revelaram que os nanotubos e nanofolhas de vidro metálico severamente oxidados exibiram uma deformação recuperável de 10% a 20%, que foi várias vezes maior do que a maioria dos metais superelásticos convencionais, como ligas com memória de forma e gomas metálicas. Os nanotubos também tinham um módulo de elasticidade ultrabaixo de cerca de 20–30 GPa.

Para entender o mecanismo por trás disso, a equipe conduziu simulações atomísticas, que indicaram que a superelasticidade se origina da oxidação severa nos nanotubos e pode ser atribuída à formação de uma rede de percolação de nanoóxidos tolerante a danos na estrutura amorfa. Estas redes de óxido não apenas restringem eventos plásticos em escala atômica durante o carregamento, mas também levam à recuperação da rigidez elástica no descarregamento em nanotubos de vidro metálicos.

"Nossa pesquisa introduz uma abordagem de engenharia de nanoóxidos para vidros metálicos de baixa dimensão. A morfologia dos nanoóxidos dentro de nanotubos e nanofolhas de vidro metálico pode ser manipulada ajustando a concentração de óxido, variando de dispersões isoladas a uma rede conectada, "disse Professor Yang.

"Com esta abordagem, podemos desenvolver uma classe de compósitos cerâmico-metálicos nanoestruturados heterogêneos, misturando metais com óxidos em nanoescala. Esses compósitos têm grande potencial para várias aplicações comerciais futuras e nanodispositivos que trabalham em ambientes agressivos, como sensores, dispositivos médicos, micro e nano-robôs, molas e atuadores", acrescentou.

Mais informações: Fucheng Li et al, Superelasticidade induzida por oxidação em nanotubos de vidro metálicos, Nature Materials (2023). DOI:10.1038/s41563-023-01733-8
Fornecido pela Universidade Municipal de Hong Kong