“圈闭”原子可改变氧化膜性能从而增强耐蚀能力

腐蚀是一个由来已久的问题，估计每年花费约1兆美元，约占美国国内生产总值的5%。金属的腐蚀很复杂，但幸运的是金属通常通过自然形成超薄氧化膜而免受灾难性损害。

传统上来说这些保护膜已被视为预期的化合物的简单氧化物，但是来自西北大学、弗吉尼亚大学和Wisconsin-Madison大学的科学家们的新研究显示了引人注目的新见解。

利用最先进的实验技术和理论模型，科学家们能够在原子水平上分析氧化物膜，破译原子在氧化物中的排列方式。这表明，保护膜新结构和组成的开发取决于氧化膜生长的速度。

科学家们说他们的发现可以为如何生成好的甚至极好的保护膜提供线索。这，可能对从螺母和螺栓到高科技电池和涡轮发动机的所有方面都是一个突破。

“这改变了我们对这些氧化膜的理解，同时开启了保护金属的新途径。”西北Northwestern's McCormick工程学院材料科学与工程系教授，这项研究的领导人Laurence Marks说：“我们现在知道有几种方法可以预测这些薄膜的化学成分，因此我们可以利用这些方法来延长保护膜的使用寿命。”科学家们在《物理评论快报》“Physical Review Letters”中发表了他们的研究结果。

“我们现在比以往任何时候都有更多的途径来控制和调节氧化物以保护材料。”弗吉尼亚大学材料科学与工程系教授、系主任和论文作者之一John Scully说。

“这项研究提供了有关如何设计新材料能使其腐蚀的更少的关键信息。”西北工程材料科学与工程教授，该论文的另一作者Peter Voorhees说。

研究小组详细研究了由镍和铬组成的合金上形成的氧化物，这些合金广泛用于从家用烤面包机的加热元件到飞机发动机的各种产品中。

这些氧化物也可用于有水的状态下，如牙科植入物中。众所周知，由于铬的氧化物的形成，这些氧化物既耐热又耐口腔腐蚀。据推测，镍形成单独的氧化物在某些情况下可溶解于体内。但是研究小组发现了一些意想不到的东西——氧化物不仅包括铬和氧，还含有大量的镍原子。

据显示镍原子没有时间从氧化物中逃逸出来，在其内部被捕获。被捕获的部分的数量取决于氧化物生长的速度。如果它生长得很慢，镍原子可以逃脱出来。如果它生长得很快，它们就不能。

当金属在高温下与空气中的氧气反应时，以及在船上或牙科植入物中与水反应时，都会发生这种情况。科学家们说，在氧化物中捕获的原子影响了薄膜的许多特性。

这些发现说明我们可以以新的方式故意在这些氧化物中捕获原子，从而改变它们的性能。

“作为一个案例，我们已经接近了我们可以用飞机引擎做的极限。”Wisconsin-Madison分校材料科学与工程教授，该论文的另一作者John Perepezko说：“这一保护氧化物形成的新愿景能够开发许多新的方法以制造更好的发动机。”