金属ガラスナノチューブの酸化誘起超弾性

2024 年 2 月 02 日

(Nanowerkニュース) 酸化により金属の特性や機能が低下する可能性があります。しかし、香港城市大学（CityU）の科学者が共同率いる研究チームは最近、ひどく酸化した金属ガラスナノチューブが超高回復可能な弾性ひずみを達成でき、従来の超弾性金属のほとんどを上回る性能を発揮できることを発見した。彼らはまた、この超弾性を支える物理的メカニズムも発見しました。彼らの発見は、低次元金属ガラスの酸化により、センサー、医療機器、その他のナノデバイスの用途に独特の特性がもたらされる可能性があることを示唆しています。調査結果は、 ネイチャーマテリアルズ (「金属ガラスナノチューブの酸化誘起超弾性」). (左) シリコン上に作製された金属ガラスナノチューブの写真、(右) 金属ガラスナノチューブの走査型電子顕微鏡画像。（画像：ヤン・ヨン教授の研究グループ／香港城市大学）近年、ナノ粒子、ナノチューブ、ナノシートなどの低次元金属の機能的・機械的特性は、小型デバイスへの応用の可能性として注目を集めています。センサー、ナノロボット、メタマテリアルなど。しかし、ほとんどの金属は電気化学的に活性であり、周囲環境では酸化を受けやすく、その特性や機能が劣化することがよくあります。「金属ナノマテリアルは表面積と体積の比が高く、最大 108m-1 に達することもあります。したがって、原理的には、それらは特に酸化しやすいと予想されます」と、共同研究者とともに研究チームを率いたシティ大学機械工学部のヤン・ヨン教授は述べた。「低次元金属を使用して次世代デバイスやメタマテリアルを開発するには、これらのナノメタルの特性に対する酸化の悪影響を徹底的に理解し、それを克服する方法を見つける必要があります。」そこで、ヤン教授と彼のチームはナノメタルの酸化を調査し、彼らの予想に反して、ひどく酸化した金属ガラスナノチューブとナノシートは、室温で最大約14%という超高い回復可能な弾性ひずみを達成でき、これはバルクよりも優れた性能を発揮することを発見した。金属ガラス、金属ガラスナノワイヤー、その他多くの超弾性金属。彼らは、平均壁厚わずか 20 nm の金属ガラスナノチューブを作成し、塩化ナトリウム、ポリビニルアルコール、従来のフォトレジスト基板など、酸素濃度の異なるさまざまな基板からナノシートを作製しました。その後、3D アトムプローブ断層撮影法 (APT) と電子エネルギー損失分光測定を実施しました。どちらの結果でも、表面に固体酸化物層が形成される従来のバルク金属とは異なり、酸化物は金属ガラスナノチューブおよびナノシート内に分散されていた。金属と基板の反応によりサンプル内の酸素濃度が増加すると、ナノチューブとナノシートの内部に接続され浸透する酸化物ネットワークが形成されました。また、その場での微小圧縮測定により、重度に酸化された金属ガラスナノチューブおよびナノシートは、10～20%の回復可能なひずみを示し、これは形状記憶合金やガムメタルなどのほとんどの従来の超弾性金属のひずみの数倍であることも明らかになった。また、ナノチューブは約 20 ～ 30 GPa という超低弾性率を持っていました。この背後にあるメカニズムを理解するために、研究チームは原子シミュレーションを行った。その結果、超弾性はナノチューブの激しい酸化に由来し、アモルファス構造におけるナノ酸化物の耐損傷性パーコレーションネットワークの形成に起因する可能性があることが示された。これらの酸化物ネットワークは、荷重中の原子スケールの塑性現象を制限するだけでなく、金属ガラスナノチューブの除荷時の弾性剛性の回復にもつながります。「私たちの研究では、低次元金属ガラスに対するナノ酸化物工学的アプローチを導入しています。金属ガラスのナノチューブやナノシート内のナノ酸化物の形態は、酸化物濃度を調整することで、孤立した分散から接続されたネットワークに至るまで操作できます」とヤン教授は述べた。「このアプローチにより、金属と酸化物をナノスケールで混合することにより、不均質なナノ構造セラミック金属複合材料のクラスを開発できます。