美国三所高校联手研究氧化膜形成机制 助力金属表面防护

金属腐蚀是一个自古以来便存在的问题，而自然形成的超薄氧化膜则能有效地使金属免受毁灭性损害。过去人们一直以为这些保护膜只是一种简单的化合物。而最新研究却表明这些保护膜的新结构和成分要取决于氧化膜的生长速度。

金属腐蚀问题困扰人们已久，为解决这一问题人们每年大约需要耗费1万亿美元的资金，相当于美国国内生产总值的5%。幸运的是，自然形成的超薄氧化膜可以有效避免金属受到毁灭性损害，这使得金属腐蚀问题还不至于过于严重。

过去人们认为这些保护膜只是具有特定成分的简单氧化物，但是来自美国西北大学、弗吉尼亚大学和威斯康星大学麦迪逊分校的科学家们的新研究却揭示了有关这些氧化膜的新发现。

利用最先进的实验技术和理论模型，科学家们能够在原子层面分析氧化膜，进而破解原子在氧化膜中的排列方式。

他们的研究结果表明，保护膜所产生的新结构和成分主要取决于取决于氧化膜的生长速度。该研究的作者表示，他们的发现可以帮助人们理解如何制成防护效果更佳的保护膜。这项突破性研究可能会影响到各种不同产品的性能，从螺母、螺栓到高科技电池和涡轮发动机都会从这个新发现中受益。

这项研究的领导人，西北大学麦克科马克工程学院材料科学与工程学教授Laurence Marks 表示：“这项研究对于我们对这些氧化膜的理解产生了很大的影响，并探索出了一条保护金属新方式。现在的科学手段使我们有很多方法来分析这些薄膜的化学成分，其中的一些手段还可以用来延长保护膜的使用寿命。”

该项研究的论文已被收录进“Physical Review Letters”（物理评论快报）。

该研究的作者之一，查尔斯亨德森讲席教授兼弗吉尼亚大学材料科学与工程系主席John Scully表示：“我们现在有了更多方式来控制和优化保护材料的氧化膜。”

该研究的另一位作者，西北大学的Peter Voorhees教授表示：“这项新发现提供了设计新材料的关键信息，并提供了减少金属腐蚀的新方法。”

该小组详细研究了镍铬合金的氧化物，这些氧化物被广泛应用于各种产品中，如家用面包机的加热元件以及飞机引擎。

这些氧化物还被广泛应用于含水环境中，比如用于牙齿植入物。科研人员在很早之前就知道，氧化铬具有很强的抗高温和抗腐蚀性。据推测，镍既可以形成一种单独氧化物，还可以在某种情况下溶入基体中。而科研人员在研究过程中还得到了意想不到的结果，即氧化物成分除了铬和氧以外，还含有大量的镍。

这种现象是因为镍原子还没有来得及从氧化物中逸出便被新形成的氧化物捕获了。而镍原子被捕获的数量则取决于氧化物的生长速度。如果氧化物生长得很慢，镍原子便会轻易从氧化物中逃逸，但是如果氧化物生长速度很快，镍原子便来不及逃逸。

当金属在高温下的空气中发生氧化反应或者作为船舶零件或者牙科植入物与水发生反应时，便会发生上文所说的这种情况。研究报告的作者表示氧化物的捕获过程会给保护膜的性能带来很大的变化。

这些发现意味着我们可以人为地控制氧化物的原子捕获过程，从而改变保护膜的性能。

该研究的另一位作者，威斯康星大学麦迪逊分校材料科学与工程学教授John Perepezko说：“在现有技术上，我们制作的飞机引擎已经在性能上达到了极限。但此次保护性氧化膜的新发现又为建造更好的飞机引擎带来了希望。”

文章来自Science Daily，原文题目为Unmasking corrosion to design better protective thin films for metals，由材料科技在线汇总整理。