Nanozilver vertoont intrinsieke zelfherstellende vermogens zonder externe interventie

Als innovatief concept in materiaalkunde en -techniek komt de inspiratie voor zelfherstellende materialen van levende organismen die het aangeboren vermogen hebben om zichzelf te herstellen. In deze lijn is de zoektocht naar zelfherstellende materialen over het algemeen gericht op “zachte” materialen zoals polymeren en hydrogels. Voor vaste metalen kan men zich intuïtief voorstellen dat elke vorm van zelfherstel veel moeilijker te bereiken zal zijn.

Hoewel een aantal eerdere onderzoeken het zelfherstellende gedrag van metalen hebben aangetoond, waarbij min of meer de hulp van externe factoren nodig is (bijvoorbeeld door verhitting, mechanische stimulatie of bestraling met elektronenbundels), blijft het een wetenschappelijke nieuwsgierigheid of het autonome zelfherstel in vaste metalen kan plaatsvinden zonder enige externe interventie.

Nu in een nieuwe studie gepubliceerd in Materiehebben onderzoekers van het Institute of Physics (IOP) van de Chinese Academie van Wetenschappen ontdekt dat een dergelijk intrinsiek en autonoom zelfherstellend fenomeen kan optreden in nanoschaal zilver (Ag).

Uit dit onderzoek, waarbij geavanceerde in-situ transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) wordt gecombineerd met moleculaire dynamica (MD)-simulaties, blijkt dat nanoschaal-Ag zichzelf autonoom kan herstellen van structurele schade, zoals nanoscheuren en nanoporiën, zonder externe tussenkomst.

Dit opmerkelijke vermogen wordt niet alleen waargenomen bij kamertemperatuur, maar ook bij ijskoude temperaturen tot wel 173 K. Opvallend is dat op hetzelfde beschadigde oppervlak de herhaalde, omkeerbare zelfherstellende cycli met hetzelfde efficiëntieniveau kunnen worden bereikt.

De experimenten werden uitgevoerd in een atomaire-resolutie TEM door gebruik te maken van enkelkristallijne Ag nanosheets als testmonsters. Zowel nanoporiën als nanocracks werden doelbewust vervaardigd door middel van in-situ boren met een TEM elektronenbundel. Om mogelijke interventie in het genezingsproces te voorkomen, werd het Ag nanosheet-monster daarna in een “beam-off”-status gehouden tot elk moment voor interval TEM-beeldvorming.

Een interessant en misschien verrassend resultaat was dat de twee representatieve soorten structurele schade zichzelf binnen enkele tot tientallen minuten autonoom herstelden, waarbij de herstelde gebieden het kristalrooster van Ag perfect herstelden met een atomair nauwkeurige ordening.

In tegenstelling tot Ag vertoonde goud (Au) geen vergelijkbaar zelfherstellend gedrag bij kamertemperatuur, ondanks het feit dat Au het meest relevante element is voor Ag in het periodiek systeem en ze veel overeenkomsten vertonen in fysieke en chemische eigenschappen.

Verdere MD-simulatieresultaten reproduceerden de experimentele observaties, met name wat betreft het verschil in het genezingsgedrag tussen Ag en Au. Wat Ag onderscheidt van Au is de hoge mobiliteit van oppervlaktediffusie, een eigenschap die niet vaak voorkomt in andere metalen vaste stoffen.

Door TEM te gebruiken, konden de onderzoekers de trajecten van het genezingsproces in Ag op atomair niveau in situ volgen. Met een combinatie van atomistische beeldvorming en theoretische simulatieresultaten benadrukt het onderzoek dat zelfgenezing mogelijk wordt gemaakt door de oppervlakte-gemedieerde zelfdiffusie van Ag-atomen, aangestuurd door chemische potentiaalonevenwichtigheid vanwege het Gibbs-Thomson-effect.

Wanneer een ontluikende schadestructuur (nanoporie of nanocrack) zijn bestaan ​​begint in een Ag-nanosheet, wordt een concave site met negatieve lokale kromming gecreëerd. Vanwege de algemene krommingsafhankelijkheid van chemisch potentieel, zal de concave schadesite daardoor een kleiner chemisch potentieel hebben in verhouding tot de onbeschadigde gebieden van de nanosheet. Deze ingebouwde onbalans van chemisch potentieel drijft Ag-atomen aan om te migreren en de schade autonoom te repareren, wat een geavanceerde vorm van materiaal zelfonderhoud laat zien.

Het vermogen van Ag om nano-schade bij kamertemperatuur en lager autonoom te herstellen, biedt veelbelovende mogelijkheden voor de ontwikkeling van schadebestendige componenten en apparaten op submicrometerlengteschaal.

Misschien nog belangrijker is dat deze ongebruikelijke bevinding op mechanistisch niveau in bredere zin een kader kan bieden voor een dieper begrip van de zelfherstellende verschijnselen en concepten in vaste metalen in het algemeen.