城大學者發現氧化作用可使金屬玻璃納米管具超彈性

氧化作用一般會損害金屬的特性和功能。然而，由香港城市大學（城大）科學家共同領導的一支研究團隊最新發現，嚴重氧化的金屬玻璃納米管原來也可以獲得超高的彈性應變，甚至優於大多數傳統的超彈性金屬，研究人員還揭示了造成這種「超彈性」的背後物理機制。這次研究發現，意味低維度金屬玻璃中的氧化作用，能帶來獨特的性能，具潛力可廣泛應用於新一代的傳感器、醫療設備和其他納米器件。

近年來，納米顆粒、納米管和納米片等低維度金屬的功能和機械特性備受關注，因它們在小型裝置的潛在應用範疇極廣濶，包括傳感器、納米微機器人和超材料等等。然而，大多數金屬都具有電化學活性，故在日常室溫環境中很容易被氧化，往往會損害其特性及導致功能下降。

「金屬納米材料具有極高的表面-體積比，可高達10⁸ m^-1。因此從理論上來說，它們特別容易被氧化。」與其他學者共同領導今次研究的香港城大機械工程學系楊勇教授續解釋說︰「若要利用低維金屬開發下一代器件和超材料，我們必須徹底了解氧化對這些納米金屬特性的不利影響，然後找到克服這些影響的方法。」

為此，楊教授和他的研究團隊對納米金屬的氧化問題進行了深入的研究，結果卻與他們的預期截然不同。他們發現嚴重氧化的金屬玻璃納米管和納米片在室溫環境下，擁有極佳的變形回復能力，彈性應變達14%，超越了傳統的塊狀金屬玻璃、金屬玻璃納米線和許多其他超彈性金屬。

在實驗中，研究人員除製成了平均壁厚僅為20nm（納米）金屬玻璃納米管，也使用了不同的基底（如氯化鈉、聚乙烯醇和傳統光阻基材）和不同的氧氣濃度，以製作出不同的納米片。

團隊然後使用先進的三維原子探針斷層掃描（3D-APT）和電子能量損失光譜測量技術，徹底分析了上述的納米材料。最終兩大檢測結果均顯示，氧化物分散於金屬玻璃納米管和納米片的內部，這與傳統的塊狀金屬通常只在金屬表面形成固體氧化層，有著明顯的不同。研究人員認為，由於金屬與基底起反應，樣本中氧濃度增加，這導致納米管和納米片的內部形成了相互連接的滲透式氧化物網絡結構。

團隊進行的原位微壓縮測量進一步發現，嚴重氧化的金屬玻璃納米管和納米片顯示出高達10至20% 的可恢復彈性應變，這比大多數傳統超彈性金屬（例如形狀記憶合金和獨特的鈦合金）的彈性應變還要高出數倍。嚴重氧化的金屬玻璃納米管另一特質是，具有僅約20-30 GPa 的超低彈性模量。

為更深入了解納米物料出現超彈性的背後原理，研究團隊進一步進行了原子級的電腦模擬，結果發現超彈性源於納米管內部的嚴重氧化，並可歸因於在非晶結構中，由納米氧化物形成可抗損傷的滲透式網絡結構。這些氧化物網絡不僅在加載過程中限制了原子尺度的塑性情況，還導致金屬玻璃納米管在卸載時恢復了彈性剛度。

「我們今次的研究為低維度金屬玻璃引入了一種使用納米氧化物的工程方法。我們可以通過調整氧化物濃度，去控制金屬玻璃納米管和納米片內部納米氧化物的形態，從個別的散布到相互連接的網絡結構都可以。」楊勇教授如此解釋。

「通過這新技術，我們可以藉著在納米尺度上把金屬和氧化物混合，從而開發出一類具有異質納米結構的陶瓷-金屬複合材料。」他補充說：「這種嶄新的複合材料可擁有巨大的應用潛力，未來可適用於不同的商品應用以及在惡劣操作環境中運作的納米裝置，如傳感器、醫療器件、微米或納米級機器人、彈簧和致動器等。」

上述研究成果已於學術期刊《自然材料》（Nature Materials）上發表，論文標題為〈Oxidation-induced superelasticity in metallic glass nanotubes〉。

論文第一作者是中國科學院物理研究所李福成博士、香港城大張智博先生（兩人是楊教授的前任和現任博士生）以及北京計算科學研究中心劉恒榮博士。通訊作者包括城大楊教授、中國科學院物理研究所柳延輝教授和北京計算科學研究中心管鵬飛教授。上述研究獲得香港研究資助局優配研究金及國家自然科學基金委員會的資助。