城大学者发现氧化作用可使金属玻璃纳米管具超弹性

氧化作用一般会损害金属的特性和功能。然而，由香港城市大学（城大）科学家共同领导的一支研究团队最新发现，严重氧化的金属玻璃纳米管原来也可以获得超高的弹性应变，甚至优于大多数传统的超弹性金属，研究人员还揭示了造成这种“超弹性”的背后物理机制。这次研究发现，意味低维度金属玻璃中的氧化作用，能带来独特的性能，具潜力可广泛应用于新一代的传感器、医疗设备和其他纳米器件。

近年来，纳米颗粒、纳米管和纳米片等低维度金属的功能和机械特性备受关注，因它们在小型装置的潜在应用范畴极广阔，包括传感器、纳米微机器人和超材料等等。然而，大多数金属都具有电化学活性，故在日常室温环境中很容易被氧化，往往会损害其特性及导致功能下降。

“金属纳米材料具有极高的表面-体积比，可高达108m-1。因此从理论上来说，它们特别容易被氧化。”与其他学者共同领导本次研究的香港城大机械工程学系杨勇教授续解释说：“若要利用低维金属开发下一代器件和超材料，我们必须彻底了解氧化对这些纳米金属特性的不利影响，然后找到克服这些影响的方法。”

为此，杨教授和他的研究团队对纳米金属的氧化问题进行了深入的研究，结果却与他们的预期截然不同。他们发现严重氧化的金属玻璃纳米管和纳米片在室温环境下，拥有极佳的变形回复能力，弹性应变达14%，超越了传统的块状金属玻璃、金属玻璃纳米线和许多其他超弹性金属。

在实验中，研究人员除制成了平均壁厚仅为20nm（纳米）金属玻璃纳米管，也使用了不同的基底（如氯化钠、聚乙烯醇和传统光阻基材）和不同的氧气浓度，以制作出不同的纳米片。

团队然后使用先进的三维原子探针断层扫描（3D-APT）和电子能量损失光谱测量技术，彻底分析了上述的纳米材料。最终两大检测结果均显示，氧化物分散于金属玻璃纳米管和纳米片的内部，这与传统的块状金属通常只在金属表面形成固体氧化层，有着明显的不同。研究人员认为，由于金属与基底起反应，样本中氧浓度增加，这导致纳米管和纳米片的内部形成了相互连接的渗透式氧化物网络结构。

团队进行的原位微压缩测量进一步发现，严重氧化的金属玻璃纳米管和纳米片显示出高达10至20%的可恢复弹性应变，这比大多数传统超弹性金属（例如形状记忆合金和独特的钛合金）的弹性应变还要高出数倍。严重氧化的金属玻璃纳米管另一特质是，具有仅约20-30 GPa的超低弹性模量。

为更深入了解纳米物料出现超弹性的背后原理，研究团队进一步进行了原子级的电脑模拟，结果发现超弹性源于纳米管内部的严重氧化，并可归因于在非晶结构中，由纳米氧化物形成可抗损伤的渗透式网络结构。这些氧化物网络不仅在加载过程中限制了原子尺度的塑性情况，还导致金属玻璃纳米管在卸载时恢复了弹性刚度。

“我们今次的研究为低维度金属玻璃引入了一种使用纳米氧化物的工程方法。我们可以通过调整氧化物浓度，去控制金属玻璃纳米管和纳米片内部纳米氧化物的形态，從个别的散布到相互连接的网络结构都可以。”杨勇教授如此解释。

“通过这新技术，我们可以借着在纳米尺度上把金属和氧化物混合，从而开发出一类具有异质纳米结构的陶瓷-金属复合材料。”他补充说：“这种崭新的复合材料可拥有巨大的应用潜力，未来可适用于不同的商品应用以及在恶劣操作环境中运作的纳米装置，如传感器、医疗器件、微米或纳米级机器人、弹簧和致动器等。”

上述研究成果已于学术期刊《自然材料》（Nature Materials）上发表，论文标题为〈Oxidation-induced superelasticity in metallic glass nanotubes〉。

论文第一作者是中国科学院物理研究所李福成博士、城大张智博先生（两人是杨教授的前任和现任博士生）以及北京计算科学研究中心刘恒荣博士。通讯作者包括城大杨教授、中国科学院物理研究所柳延辉教授和北京计算科学研究中心管鹏飞教授。上述研究获得香港研究资助局优配研究金及国家自然科学基金委员会的资助。