研究人員發(fā)現(xiàn)，用于金屬的固體氧化物保護(hù)涂層，當(dāng)以足夠薄的層施加時(shí)，可以像液體一樣變形，在它們形成時(shí)填充任何裂縫和間隙。

薄涂層應(yīng)該特別有用，以防止可以穿透大多數(shù)材料的微小分子泄漏，例如可用于為燃料電池汽車(chē)提供動(dòng)力的氫氣，或者在內(nèi)部形成的放射性氚(一種重型氫)核電站的核心。

除黃金外，大多數(shù)金屬在暴露于空氣和水中時(shí)都會(huì)氧化。這種反應(yīng)會(huì)在鐵上生銹，在銀上變色，銅或黃銅上的銅綠，會(huì)隨著時(shí)間的推移削弱金屬，導(dǎo)致裂縫或結(jié)構(gòu)失效。但是有三種已知元素可以產(chǎn)生氧化物，實(shí)際上可以作為保護(hù)屏障來(lái)防止任何進(jìn)一步的氧化：氧化鋁，氧化鉻和二氧化硅。

麻省理工學(xué)院核工程與科學(xué)教授，一篇描述新發(fā)現(xiàn)的論文的高級(jí)作者朱莉說(shuō)：“我們?cè)噲D理解為什么氧化鋁和二氧化硅是特殊的氧化物，具有優(yōu)異的耐腐蝕性。” 該論文發(fā)表在納米快報(bào)雜志上。

由麻省理工學(xué)院研究生楊洋領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)使用高度專(zhuān)業(yè)化的儀器詳細(xì)觀(guān)察涂有這些“特殊”氧化物的金屬表面，看看當(dāng)它們暴露在氧氣環(huán)境中并處于壓力下時(shí)會(huì)發(fā)生什么。雖然大多數(shù)透射電子顯微鏡(TEM)要求在高真空下研究樣品，但該團(tuán)隊(duì)使用了一種稱(chēng)為環(huán)境TEM(E-TEM)的改進(jìn)版本，該樣品允許在存在感興趣的氣體或液體的情況下研究樣品。該裝置用于研究可導(dǎo)致一種稱(chēng)為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的失效的過(guò)程。

如果沒(méi)有受到保護(hù)，金屬在反應(yīng)堆容器內(nèi)的壓力和暴露于過(guò)熱蒸汽環(huán)境的壓力下會(huì)迅速腐蝕。即使有堅(jiān)固的保護(hù)層，也會(huì)形成裂縫，使氧氣滲透到裸露的金屬表面，然后滲透到構(gòu)成大塊金屬材料的金屬顆粒之間的界面，進(jìn)一步腐蝕，可以穿透更深的鉛結(jié)構(gòu)失敗。“我們想要一種類(lèi)似液體和抗裂的氧化物，”楊說(shuō)。

事實(shí)證明，舊的備用涂料，即氧化鋁，即使在室溫下也可以具有液體狀流動(dòng)性，如果它被制成足夠薄的層，厚度約為2至3納米(十億分之一米) 。

楊傳說(shuō)，“傳統(tǒng)上，人們認(rèn)為金屬氧化物會(huì)變脆”，并且容易開(kāi)裂，并解釋說(shuō)沒(méi)有人證明這一點(diǎn)，因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)條件下觀(guān)察材料的行為是如此困難。這就是布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的專(zhuān)業(yè)E-TEM設(shè)置，這是世界上僅有的10個(gè)這樣的設(shè)備之一。“從來(lái)沒(méi)有人觀(guān)察過(guò)它在室溫下是如何變形的，”楊說(shuō)。

“這是我們第一次以近原子分辨率觀(guān)察到這一點(diǎn)，”李說(shuō)。這種方法表明，氧化鋁層通常很脆，在應(yīng)力下會(huì)破碎，當(dāng)制作得非常薄時(shí)，幾乎可以像鋁薄金屬層一樣可變形 - 這一層比鋁箔薄得多。Li報(bào)告說(shuō)，當(dāng)氧化鋁被涂覆在散裝鋁片的表面上時(shí)，液體狀的流動(dòng)“保持鋁被覆蓋”并帶有保護(hù)層。

研究人員在E-TEM內(nèi)部證明，帶有氧化物涂層的鋁可以拉伸到其長(zhǎng)度的兩倍以上，而不會(huì)導(dǎo)致任何裂縫打開(kāi)，Li說(shuō)。他說(shuō)，氧化物“形成一個(gè)非常均勻的保形層，保護(hù)表面，沒(méi)有晶界或裂縫，”即使在拉伸的壓力下也是如此。從技術(shù)上講，這種材料是一種玻璃，但只要它足夠薄，它就像液體一樣移動(dòng)并完全覆蓋表面。

“人們無(wú)法想象金屬氧化物可以延展性，”楊說(shuō)，指的是金屬變形的能力，例如伸展成細(xì)線(xiàn)。例如，藍(lán)寶石是一種完全相同的材料，氧化鋁，但其塊狀結(jié)晶形式使其成為非常堅(jiān)固但脆的材料。

Li說(shuō)，自修復(fù)涂層可能具有許多潛在的應(yīng)用，并注意到其光滑，連續(xù)表面的優(yōu)勢(shì)，沒(méi)有可能滲入材料的裂縫或晶界。