氧化指示金属玻璃纳米管产生超弹性！kaiyun

低维金属（如金属膜、纳米片和纳米线）由于其专有的机械和功能特色而成为构建三维微器件和纳米器件的理念念材料。然而，与陶瓷不同，大多数金属具有电化学活性，容易在环境中与氧气响应，形成名义氧化物，这可能导致金属物感性能的退化。从表面上来说，咱们知谈名义氧化会导致不良的疏忽杂质或氧化物的形成，从而导致金属脆化，尽头是关于名义体积比很高的金属纳米材料而言。举例，名义氧化物激发的裂纹可能导致镍基袖珍器件在轮回负载下过早失效。目下，紧迫需要收缩名义氧化对金属纳米结构的负面影响。这对曩昔纳米器件的拓荒至关紧要。

然而，香港城市大学杨勇诠释斡旋北京计较科学盘问中心管鹏飞诠释和淞山湖履行室Yanhui Liu在此走漏了严重氧化的金属玻璃纳米管在室温下可取得高达约 14% 的超高可还原弹性应变，其性能优于迄今报谈的块状金属玻璃、金属玻璃纳米线和很多其他超弹性金属。通过现场履行和原子模拟，作家揭示了不雅察到的超弹性的物理机制可归因于金属玻璃纳米管中形成的渗滤氧化物收罗，它不仅在加载流程中限制了原子圭表的塑性事件，况且还导致卸载时弹性刚度的还原。此发现意味着，低维金属玻璃中的氧化作用不错为纳米器件的驾驭带来专有的性能。关系后果以“Oxidation-induced superelasticity in metallic glass nanotubes”为题发表在《Nature Materials》上，第一作家为Fucheng Li，Zhibo Zhang和 Huanrong Liu.为共并吞作。

图 1a,b 闪现了通过超大边界集成法制造的化学因素为 Zr 55Cu 30Al 10Ni 5的 MG 纳米管阵列。制备的纳米管高度约为 650 nm，直径约为 500 nm，管壁厚度从约 15 nm 到约 25 nm 不等。兴味的是，这些纳米管沿纵向呈现海浪状空洞，波长约 100 nm，振幅约 5 nm（图 1c），不错很好地与正弦波函数拟合。

鉴于超高的比名义积，此MG 纳米管很容易受到名义氧化的影响。作家进行了三维原子探针断层扫描（3D-APT）分析，终局闪现了纳米管里面无挫伤区域切片的三维元素散播。如图 1e 所示，O 元素剖判从 MG 基质均分离出来，形成了一种浸透收罗结构。作家还提供了不同不雅察角度的 APT 分析，以全面了解富氧区域的浸透收罗（图 1f）。从典型的侧视图（图 1f(ii)）不错剖判地不雅察到纳米级富金属区域被相互不竭的富氧化物区域所包围（图 1f）。另一方面，从垂直剖面图（图 1f(i)）不错剖判看出柱状或夹层结构，这标明富氧化物互连区域的拓扑结构应接近二维（图 1f）。此外，沿垂直剖面见识的化学散播闪现，富氧区域中心的氧浓度可达约 50%，但在其外围则逐渐降至25%（图 1f）。

图1：Zr55Cu30Al10Ni5 MG纳米管的结构和因素表征

图 2a 闪现了 Zr 55Cu 30Al 10Ni 5 MG 纳米管在应变速度为 0.06 s -1 时取得的三条标称压缩应力-应变弧线。纳米管被压至 10.8%、12.3% 和 23.1% 的最大应变时，似乎在应力-应变弧线的拐点处发生了屈服。兴味的是，作家不雅察到在移以外部负载后变形剖判还原，这三个测试的应变分辨还原了 8.7%、10.0% 和 14.1%。为了进一步考据这些发现，作家通过原位微压缩履行测量了 MG 纳米管的高度，如图 2b 所示，纳米管被压至 23.1% 的应变。此外，作家还系统地盘问了应变速度和最大应变对纳米管应变还原的影响。如图 2c,d 所示，关于 ZrCuAlNi(O)，天然可还原应变跟着施加的最大应变而增多，但它们对应变速度并不解锐，这标明可还原应变不是由于 MGs 的无弹性形成的。

图 2：Zr55Cu30Al10Ni5 MG 纳米管的机械动作

接下来，作家进行了多数有限元模拟，盘问纳米管对其变形动作的几何影响。最终得出论断：纳米管中的显赫应变还原一定与纳米级氧化谈论。为剖判解 MG 纳米管超弹性的原子发源，作家基于神经收罗原子间势进行了多数的分子能源学（MD）模拟。为此，作家最初制备了 Cu-Zr-O 模子玻璃，其平均 O 浓度 为 0.18的 Cu-Zr-O 模子玻璃。为了模拟履行，作家还在模子中引入了 O 浓度梯度。因此，富含 O 的区域在结构弛豫后形成了渗流收罗结构（图 3a,b），这与履行终局基本吻合。图 3c 相比了五种 MG 模子玻璃的加载-卸载应力-应变弧线。很剖判，具有渗滤氧化物收罗的无定形结构具有更强的弹性，当受到 18.0% 的最大应变 ε 时，闪现出 ~14.0% 的可还原应变 (Δε)。

为了进一步细目复古显赫超弹性的结构根源，作家计较了有渗滤氧化物和无渗滤氧化物的加载和非加载模子玻璃的非正方形位移（D2）。图 3e 闪现了为 O 原子计较的非正交位移的统计散播。图 3f 闪现了模子玻璃在加载流程中庸卸载后严重变形区域的快照。图 3g 展示了断开-再不竭流程的局部视图。很剖判，Zr-O 原子对之间发生了脱粘，导致收罗中断，卸载后不会从头不竭；相悖，在脱粘部位隔壁会发生不竭，从而还原不竭，形成 O-O 收罗的弹性刚度。在MD 模拟中，作家发当今氧化物收罗和 Zr-Cu MG 区域之间的界面区域，这些键切换流程特别多，而其他区域则相对较少（图 3f）。凭据这些发现，不错得出论断：MG 纳米管中的氧化促进了超弹性。

图 3：Cu-Zr(O) MG 中超弹性的原子发源

小结：总之，本文通过实考据明了 MG 纳米管在室温下具有超弹性，其性能优于目下已知的多样超弹性金属和合金。凭据原子模拟，这种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形成的耐挫伤渗流收罗。MG 纳米结构的这一专有特色特别有效，可正常驾驭于在恶劣环境中责任的曩昔纳米诞生，如传感器、医疗诞生、袖珍或纳米机器东谈主、弹簧和致动器。

开端：高分子科学前沿

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