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(noticias nanowerk) La oxidación puede afectar las propiedades y funcionalidad de los metales. Sin embargo, un equipo de investigación codirigido por científicos de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) descubrió recientemente que los nanotubos de vidrio metálicos altamente oxidados pueden lograr una tensión elástica recuperable extremadamente alta, superando a la mayoría de los metales superelásticos convencionales.
También descubrieron los mecanismos físicos subyacentes a esta superelasticidad. Su descubrimiento sugiere que la oxidación en vidrio metálico de bajas dimensiones puede conducir a propiedades únicas para aplicaciones en sensores, dispositivos médicos y otros nanodispositivos.
Los resultados fueron publicados en Materiales naturales (“Superelasticidad inducida por oxidación en nanotubos de vidrio metálico”).
En los últimos años, las propiedades funcionales y mecánicas de los metales de baja dimensión, incluidas nanopartículas, nanotubos y nanoláminas, han atraído la atención debido a sus posibles aplicaciones en pequeños dispositivos como sensores, nanorobots y metamateriales. Sin embargo, la mayoría de los metales son electroquímicamente activos y susceptibles a la oxidación en ambientes ambientales, lo que a menudo conduce a la degradación de sus propiedades y funcionalidades.
“Los nanomateriales metálicos tienen una alta relación superficie-volumen, que puede llegar hasta 108 m-1. «Por lo tanto, se puede suponer que, en general, son particularmente susceptibles a la oxidación», afirmó el profesor Yang Yong del Departamento de Ingeniería Mecánica de CityU, quien dirigió el equipo de investigación junto con sus colegas. «Para utilizar metales de baja dimensión para desarrollar dispositivos y metamateriales de próxima generación, debemos comprender a fondo los efectos negativos de la oxidación en las propiedades de estos nanometales y luego encontrar una manera de superarlos».
Por lo tanto, el profesor Yang y su equipo investigaron la oxidación en nanometales y, en marcado contraste con sus expectativas, descubrieron que los nanotubos y nanoláminas de vidrio metálico altamente oxidados pueden alcanzar una tensión elástica recuperable ultra alta de hasta aproximadamente el 14%, superando el volumen, en condiciones ambientales. Vidrios metálicos de temperatura, nanocables de vidrio metálico y muchos otros metales superelásticos.
Fabricaron nanotubos de vidrio metálico con un espesor de pared promedio de solo 20 nm y fabricaron nanoláminas a partir de diversos sustratos, como cloruro de sodio, alcohol polivinílico y sustratos fotorresistentes convencionales con diferentes concentraciones de oxígeno.
Luego llevaron a cabo mediciones de tomografía con sonda atómica (APT) en 3D y espectroscopía de pérdida de energía de electrones. En ambos resultados, los óxidos se dispersaron a lo largo de los nanotubos y nanoláminas de vidrio metálico, a diferencia de los metales a granel tradicionales donde se forma una capa de óxido sólido en la superficie. A medida que la concentración de oxígeno en las muestras aumentó debido a las reacciones del sustrato metálico, se formaron redes de óxido interconectadas y percoladas dentro de los nanotubos y nanoláminas.
Las mediciones de microcompresión in situ también revelaron que los nanotubos y nanoláminas de vidrio metálico altamente oxidados tenían una deformación alcanzable del 10 al 20%, que era varias veces mayor que la de la mayoría de los metales superelásticos convencionales, como las aleaciones con memoria de forma y los metales de caucho. Los nanotubos también tenían un módulo elástico extremadamente bajo, de alrededor de 20-30 GPa.
Para comprender el mecanismo detrás de esto, el equipo realizó simulaciones atomísticas, que sugirieron que la superelasticidad se debe a una fuerte oxidación en los nanotubos y a la formación de una red de percolación de nanoóxidos tolerante a los daños en la estructura amorfa. Estas redes de óxido no solo limitan los eventos plásticos a escala atómica durante la carga, sino que también conducen a la recuperación de la rigidez elástica tras la descarga en nanotubos de vidrio metálico.
“Nuestra investigación introduce un enfoque de ingeniería de nanoóxidos para vidrios metálicos de bajas dimensiones. La morfología de los nanoóxidos en nanotubos y nanoláminas de vidrio metálico se puede manipular ajustando la concentración de óxido, desde dispersiones aisladas hasta una red interconectada”, dijo el profesor Yang.
“Este enfoque nos permite desarrollar una clase de compuestos cerámico-metal nanoestructurados heterogéneos mezclando metales con óxidos a nanoescala. «Estos compuestos tienen un gran potencial para diversas aplicaciones comerciales futuras y nanodispositivos que funcionan en entornos hostiles, como sensores, dispositivos médicos, micro y nanorobots, resortes y actuadores», añadió.
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