新型金屬氧化物塗層：可像液體一樣流動，修復功能強大

近日，MIT 的研究人員發現一種可用於金屬容器的固體氧化物保護塗層。當該塗層非常薄時，會變形猶如液體，填充所有可能生成的裂縫和缺口。該項研究發表在期刊《Nano Letters》上。

圖∣研究人員發現氧化鋁超薄層，雖然是固態的，但是可以像液體一樣流動，而不會產生裂紋。來源：Christine Daniloff/MIT

該塗層應該對防止微小分子的泄露特別有用。這些微小分子可以穿透大多數材料，比如可用作燃料電池汽車動力的氫氣，或者在核電站核心形成的放射性氚（氫的一種同位素）。

大多數金屬（除了金以外）暴露在空氣和水中，通常會被氧化。氧化反應會逐漸削弱金屬，最終導致裂紋或者結構失效。比如，被氧化後，鐵表面會生成鐵鏽，銀會變得沒有光澤，銅/青銅表面會生成銅銹。然而，有三種已知元素經氧化後，會生成起著保護層作用的氧化物，能夠防止進一步的氧化，即氧化鋁、氧化鉻和二氧化硅。

MIT 核工程與科學以及材料科學與工程專業的教授 Ju Li 表示，「我們一直嘗試著研究為什麼氧化鋁和二氧化硅具有優異的抗腐蝕性。」

圖∣氧化鋁薄層把氧氣（右側）和金屬鋁顆粒（左側）分隔開。當材料被拉伸時，氧化層也隨之伸長。

MIT 研究生 Yang Yang 帶領的團隊利用非常專業的設備，仔細觀察鍍有氧化物塗層的金屬表面，在暴露於氧氣氣氛以及被施加壓力的情況下，會發生什麼。由於透射電子顯微鏡（TEM）通常要求在高度真空氣氛中觀察樣品，所以該研究團隊利用了改良版 TEM，即 E-TEM。E-TEM 可在一定的氣氛或者液體存在情況下，研究樣品。該設備被用於研究可能產生應力（單位面積上所承受的附加內力）腐蝕裂痕的過程。

金屬在反應容器中承受壓力，或者暴露在過熱蒸氣中，如果沒有保護措施，將會被快速腐蝕。即使鍍有固態保護塗層，還是產生裂紋，使得氧氣能夠穿透到金屬表面，然後穿透到金屬顆粒界面，導致更深層的腐蝕，並最終導致結構失效。 Yang 表示，「我們想要一種猶如液體的氧化物，可防止產生裂紋。」

結果表明，如果足夠薄到大約 2-3nm，氧化鋁可表現出類似液體的流動行為，甚至是在室溫下。

通常而言，人們認為金屬氧化物易碎併產生裂紋。至今沒有其他人能夠觀察到上述現象，因為在實際條件下觀察材料行為實在太難了。這也就是為何要利用布魯克黑文國家實驗室的 E-TEM（世界上大約僅有 10 台這樣的設備）來進行研究。Yang 表示，「至今無人觀察到氧化鋁在室溫下是如何變形的。」

Li 表示，「第一次，我們幾乎在原子級解析度下觀察該現象。」研究表明，氧化鋁塗層通常很脆弱以致於壓力下會被損壞，而如果是非常薄的塗層，則可猶如金屬鋁薄層（比鋁箔還要薄的薄層）一樣可變形。當氧化鋁塗層到塊體鋁表面的時候，類似液體的流動使其覆蓋在鋁表面而形成保護層。

利用 E-TEM，研究人員觀察到帶有氧化鋁塗層的金屬鋁可以拉伸到 2 倍以上的長度，並不會產生任何裂紋。氧化物形成了非常均勻的保形層（沒有任何晶界或者裂紋），即使是在拉伸狀態下也可保護金屬表面。專業來講，該材料是一種玻璃，但是只要足夠薄，它又可像液體一樣運動，並完全覆蓋在金屬表面。

Yang 表示，人們可能無法想像金屬氧化物可以如此柔軟（猶如金屬的變形能力），比如可被拉伸成薄絲。比如，藍寶石（主要成分是氧化鋁）的結晶塊體材料，就非常堅硬且易碎。

Li 表示自修復塗層由於其平滑和連續表面（沒有任何裂紋或晶界）的優勢，有很多潛在應用。

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