新型金属氧化物涂层：可像液体一样流动，修复功能强大

近日，MIT 的研究人员发现一种可用于金属容器的固体氧化物保护涂层。当该涂层非常薄时，会变形犹如液体，填充所有可能生成的裂缝和缺口。该项研究发表在期刊《Nano Letters》上。

图∣研究人员发现氧化铝超薄层，虽然是固态的，但是可以像液体一样流动，而不会产生裂纹。来源：Christine Daniloff/MIT

该涂层应该对防止微小分子的泄露特别有用。这些微小分子可以穿透大多数材料，比如可用作燃料电池汽车动力的氢气，或者在核电站核心形成的放射性氚（氢的一种同位素）。

大多数金属（除了金以外）暴露在空气和水中，通常会被氧化。氧化反应会逐渐削弱金属，最终导致裂纹或者结构失效。比如，被氧化后，铁表面会生成铁锈，银会变得没有光泽，铜/青铜表面会生成铜锈。然而，有三种已知元素经氧化后，会生成起着保护层作用的氧化物，能够防止进一步的氧化，即氧化铝、氧化铬和二氧化硅。

MIT 核工程与科学以及材料科学与工程专业的教授 Ju Li 表示，“我们一直尝试着研究为什么氧化铝和二氧化硅具有优异的抗腐蚀性。”

图∣氧化铝薄层把氧气（右侧）和金属铝颗粒（左侧）分隔开。当材料被拉伸时，氧化层也随之伸长。

MIT 研究生 Yang Yang 带领的团队利用非常专业的设备，仔细观察镀有氧化物涂层的金属表面，在暴露于氧气气氛以及被施加压力的情况下，会发生什么。由于透射电子显微镜（TEM）通常要求在高度真空气氛中观察样品，所以该研究团队利用了改良版 TEM，即 E-TEM。E-TEM 可在一定的气氛或者液体存在情况下，研究样品。该设备被用于研究可能产生应力（单位面积上所承受的附加内力）腐蚀裂痕的过程。

金属在反应容器中承受压力，或者暴露在过热蒸气中，如果没有保护措施，将会被快速腐蚀。即使镀有固态保护涂层，还是产生裂纹，使得氧气能够穿透到金属表面，然后穿透到金属颗粒界面，导致更深层的腐蚀，并最终导致结构失效。 Yang 表示，“我们想要一种犹如液体的氧化物，可防止产生裂纹。”

结果表明，如果足够薄到大约 2-3nm，氧化铝可表现出类似液体的流动行为，甚至是在室温下。

通常而言，人们认为金属氧化物易碎并产生裂纹。至今没有其他人能够观察到上述现象，因为在实际条件下观察材料行为实在太难了。这也就是为何要利用布鲁克黑文国家实验室的 E-TEM（世界上大约仅有 10 台这样的设备）来进行研究。Yang 表示，“至今无人观察到氧化铝在室温下是如何变形的。”

Li 表示，“第一次，我们几乎在原子级分辨率下观察该现象。”研究表明，氧化铝涂层通常很脆弱以致于压力下会被损坏，而如果是非常薄的涂层，则可犹如金属铝薄层（比铝箔还要薄的薄层）一样可变形。当氧化铝涂层到块体铝表面的时候，类似液体的流动使其覆盖在铝表面而形成保护层。

利用 E-TEM，研究人员观察到带有氧化铝涂层的金属铝可以拉伸到 2 倍以上的长度，并不会产生任何裂纹。氧化物形成了非常均匀的保形层（没有任何晶界或者裂纹），即使是在拉伸状态下也可保护金属表面。专业来讲，该材料是一种玻璃，但是只要足够薄，它又可像液体一样运动，并完全覆盖在金属表面。

Yang 表示，人们可能无法想象金属氧化物可以如此柔软（犹如金属的变形能力），比如可被拉伸成薄丝。比如，蓝宝石（主要成分是氧化铝）的结晶块体材料，就非常坚硬且易碎。

Li 表示自修复涂层由于其平滑和连续表面（没有任何裂纹或晶界）的优势，有很多潜在应用。