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Los investigadores han descubierto que un recubrimiento protector de óxido sólido para metales puede, cuando se aplica en capas lo suficientemente delgadas, deformarse como si fuera un líquido, llenando cualquier grieta y espacio a medida que se forman.

La fina capa de recubrimiento debería ser especialmente útil para evitar la filtración de moléculas diminutas que pueden penetrar a través de la mayoría de los materiales, como el gas de hidrógeno que podría usarse para alimentar automóviles con pilas de combustible o el tritio radioactivo (una forma pesada de hidrógeno) que se forma en el interior los núcleos de las plantas de energía nuclear.

La mayoría de los metales, con la notable excepción del oro, tienden a oxidarse cuando se exponen al aire y al agua. Esta reacción, que produce óxido en el hierro, deslustre en la plata y cardenillo en el cobre o el latón, puede debilitar el metal con el tiempo y provocar grietas o fallas estructurales. Pero hay tres elementos conocidos que producen un óxido que en realidad puede servir como una barrera protectora para evitar cualquier oxidación adicional: óxido de aluminio, óxido de cromo y dióxido de silicio.

Ju Li, profesor de ingeniería nuclear y ciencia y ciencia e ingeniería de materiales en el MIT y autor principal de un artículo que describe el nuevo hallazgo, dice "estábamos tratando de entender por qué el óxido de aluminio y el dióxido de silicio son óxidos especiales que brindan una excelente resistencia a la corrosión . "El documento aparece en el diario Nano Letters .

Una fina capa de óxido de aluminio separa el gas de oxígeno (derecha) y dos granos de metal de aluminio (izquierda). A medida que el material se estira, la capa de óxido se alarga.

El equipo, dirigido por Yang Yang, estudiante graduado del MIT, utilizó instrumentos altamente especializados para observar en detalle la superficie de los metales recubiertos con estos óxidos "especiales" para ver qué ocurre cuando están expuestos a un ambiente con oxígeno y bajo estrés. Si bien la mayoría de los microscopios electrónicos de transmisión (TEM) requieren que las muestras se estudien en alto vacío, el equipo utilizó una versión modificada llamada TEM ambiental (E-TEM) que permite estudiar la muestra en presencia de gases o líquidos de interés. El dispositivo se usó para estudiar el proceso que puede conducir a un tipo de falla conocida como agrietamiento por corrosión bajo tensión.

Los metales sometidos a estrés por la presión dentro de un recipiente del reactor y expuestos a un entorno de vapor sobrecalentado pueden corroerse rápidamente si no están protegidos. Incluso con una capa protectora sólida, se pueden formar grietas que permiten que el oxígeno penetre en la superficie de metal desnudo, donde puede penetrar en las interfaces entre los granos de metal que componen un material metálico a granel, causando corrosión adicional que puede penetrar más profundamente y conducir a la falla estructural "Queremos un óxido que sea líquido y resistente a las grietas", dice Yang.

Resulta que el viejo material de recubrimiento en espera, el óxido de aluminio, puede tener ese comportamiento fluido similar al líquido, incluso a temperatura ambiente, si se lo convierte en una capa lo suficientemente delgada, de 2 a 3 nanómetros (milmillonésimas de un metro) de espesor .

"Tradicionalmente, la gente piensa que el óxido de metal sería frágil" y está sujeto a agrietamiento, dice Yang, explicando que nadie había demostrado lo contrario porque es muy difícil observar el comportamiento del material en condiciones realistas. Ahí fue donde entró en juego la configuración especializada de E-TEM en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, uno de los 10 dispositivos de este tipo en el mundo. "Nadie había observado cómo se deforma a temperatura ambiente", dice Yang.

"Por primera vez, hemos observado esto con una resolución casi atómica", dice Li. Este enfoque demostró que una capa de óxido de aluminio, normalmente tan quebradiza que se rompería bajo tensión, cuando se hace extremadamente delgada es casi tan deformable como una capa comparablemente delgada de metal de aluminio, una capa mucho más delgada que la lámina de aluminio. Cuando el óxido de aluminio se aplica sobre una superficie de una pieza de aluminio a granel, el flujo similar al líquido "mantiene el aluminio cubierto" con su capa protectora, informa Li.

Los investigadores demostraron dentro del E-TEM que el aluminio con su revestimiento de óxido se podría estirar hasta más del doble de su longitud sin causar grietas que se abran, dice Li. El óxido "forma una capa de conformación muy uniforme que protege la superficie, sin límites de grano o grietas", incluso bajo la tensión de ese estiramiento, dice. Técnicamente, el material es un tipo de vidrio, pero se mueve como un líquido y recubre completamente la superficie, siempre y cuando sea lo suficientemente delgada.

"La gente no puede imaginar que un óxido de metal puede ser dúctil", dice Yang, refiriéndose a la capacidad de deformación de un metal, como estirarlo en un cable delgado. Por ejemplo, el zafiro es una forma de exactamente el mismo material, óxido de aluminio, pero su forma cristalina a granel lo hace un material muy fuerte pero frágil.

El recubrimiento de autocuración podría tener muchas aplicaciones potenciales, dice Li, señalando la ventaja de su superficie lisa y continua sin grietas o límites de grano que podrían penetrar en el material.

El equipo también incluyó al afiliado de investigación Akihiro Kushima en el MIT, Weizhong Han en la Universidad Xi'an Jiaotong en China y Huolin Xin en el Laboratorio Nacional Brookhaven. El trabajo fue apoyado por la National Science Foundation.