Oxit kim loại tự hàn gắn có thể bảo vệ chống ăn mòn

Lớp phủ mỏng đặc biệt này có tác dụng ngăn chặn sự rò rỉ của các phân tử nhỏ để thâm nhập qua hầu hết các chất liệu như khí hydro được sử dụng để cung cấp năng lượng cho ô chạy pin nhiên liệu hoặc triti phóng xạ (dạng nặng của hydro) hình thành bên trong lõi của các nhà máy điện hạt nhân.

Hầu hết các kim loại ngoại trừ vàng có xu hướng bị oxy hóa khi tiếp xúc với không khí và nước. Phản ứng này tạo ra gỉ trên sắt, vết xỉn trên bạc và gỉ trên đồng, có thể làm suy yếu kim loại theo thời gian và dẫn đến các vết nứt hoặc hỏng cấu trúc. Tuy nhiên, có 3 loại oxit kim loại gồm oxit nhôm, oxit crom và oxit silicon trên thực tế có thể được dùng làm lớp bảo vệ để ngăn chặn hiện tượng oxy hóa.

Nhóm nghiên cứu đứng đầu là nghiên cứu sinh Yang Yang, đã sử dụng các công cụ đặc biệt chuyên dụng để xem xét chi tiết bề mặt kim loại phủ những loại oxit này nhằm quan sát hiện tượng xảy ra khi chúng được tiếp xúc với môi trường oxy và trong điều kiện có ứng suất. Dù hầu hết các loại kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) đòi hỏi phải đặt các mẫu vào môi trường chân không, nhưng nhóm nghiên cứu đã sử dụng loại kính hiển vi đã điều chỉnh có tên là Kính hiển vi điện tử truyền qua môi trường (E-TEM) cho phép nghiên cứu mẫu khi có sự hiện diện của các khí hoặc chất lỏng. Thiết bị này được sử dụng để nghiên cứu quy trình dẫn đến sự cố nứt mà nguyên nhân là do hiện tượng ăn mòn do ứng suất.

Kim loại dưới tác động của ứng suất bên trong bể lò phản ứng và tiếp xúc với môi trường hơi quá nóng có thể bị ăn mòn nhanh nếu không được bảo vệ. Thậm chí nhờ lớp bảo vệ rắn, các vết nứt sẽ hình thành, cho phép oxy thâm nhập vào bề mặt của kim loại trơ, cụ thể là các điểm giao diện giữa các hạt kim loại cấu thành vật liệu kim loại cỡ lớn, gây ra hiện tượng ăn mòn mạnh hơn và làm hỏng cấu trúc.

Nghiên cứu sinh Yang cho rằng, trước đây, mọi người nghĩ oxit kim loại giòn và dễ bị nứt và chưa ai chứng minh được vì rất khó quan sát hành vi của vật liệu trong các điều kiện thực tế. Giờ đây, nhóm nghiên cứu lần đầu tiên đã quan sát được trong phạm vi phân giải gần như ở cấp độ nguyên tử. Phương pháp này đã chứng minh lớp oxit nhôm thường rất giòn nên sẽ bị vỡ dưới tác động của ứng suất, khi được sản xuất ở dạng siêu mỏng thì gần như biến dạng như lớp kim loại nhôm mỏng, mỏng hơn nhiều lõi nhôm. Khi oxit nhôm được phủ trên bề mặt của mảnh nhôm khổ lớn, dòng chảy giống như chất lỏng giữ cho nhôm được phủ lớp bảo vệ.

Các nhà nghiên cứu đã chứng minh bên trong E-TEM, nhôm được phủ lớp oxit có thể được kéo dài gấp hơn 2 lần độ dài ban đầu của nó mà không gây ra bất cứ vết nứt nào. Oxit tạo thành một lớp phủ đồng nhất bảo vệ bề mặt mà không có ranh giới giữa các hạt hay bất cứ vết nứt nào, thậm chí khi bị kéo căng. Về mặt kỹ thuật, vật liệu là một loại thủy tinh, nhưng nó di chuyển giống như chất lỏng và phủ đầy bề mặt lâu như khi nó ở dạng đủ mỏng.

Ju Li, giáo sư kỹ thuật và khoa học hạt nhân và là đồng tác giả nghiên cứu cho rằng: "Với ưu điểm là bề mặt mềm và không có vết nứt hoặc ranh giới giữa các hạt để có thể thâm nhập vào bên trong vật liệu, lớp phủ tự hàn gắn có rất nhiều ứng dụng tiềm năng".