Нанозолото крепчает под кислотой и напряжением

Создан материал, свойства которого можно менять электрическим напряжением

Учёные создали новый композитный наноматериал на основе золота и хлорной кислоты, механические свойства которого можно менять электрическим напряжением. Обнаруженный эффект может пригодиться при создании самозалечивающихся материалов или для продления срока службы современных аккумуляторов.

Подбор конструкционного материала — это всегда поиск компромисса между прочностью и пластичностью. Возможность изменять свойства одного материала с помощью внешних воздействий очень интересует инженеров. К примеру, вещество, пластичное при обработке, но твёрдое в процессе применения, очень пригодилось бы в различных отраслях приборостроения.

Подобными свойствами обладают некоторые полимерные композитные материалы, которые, однако, не подходят для множества областей применения. О создании первого неорганического проводящего материала с «настраиваемыми» механическими свойствами сообщили Хай-Цзюнь Цзинь и Йорг Вайсмюллер в своей новой статье, опубликованной в Science.

За основу для нового композита исследователи взяли нанопористое золото, полученное удалением серебра из сплава этих двух металлов.

Похожую на губку структуру с размером пор от 10 до 20 нм «пропитали» хлорной кислотой. Механические свойства материала, а точнее его предел текучести (давление, при котором материал перестаёт быть упругим и становится пластичным) исследовали, приложив к нему разность потенциалов от 0 до 1,5 Вольт.

Оказалось, что механические свойства материала меняются при наложении даже небольшого напряжения. А наиболее драматические изменения наблюдались при приложении напряжения от 1 до 1,5 Вольт: предел текучести тогда увеличивается вдвое. Наименьший же предел наблюдался при разности потенциалов около 0,5 Вольт, когда приложенное напряжение компенсируется абсорбированными на поверхности анионами хлорной кислоты ClO_4- — в точке «нулевого заряда».

Объяснение наблюдаемому ученые обнаружили, исследовав химию процесса.

Дело в том, что в интервале напряжений 1–1,5 Вольта на поверхности золота наблюдается уже не абсорбция ионов кислоты, а окисление золота — ионы кислорода встраиваются в поверхностный слой кристаллической решетки металла, фактически формируя тонкий оксидный защитный слой. Он служит ловушкой для дефектов кристаллической структуры, не позволяя им мигрировать, а материалу — переходить в пластичное состояние, предположили авторы.

Учёные также отмечают параллели, которые можно провести между наблюдаемым явлением и известным в среде материаловедов эффектом Ребиндера — изменением механических свойств материала при смачивании его поверхности. Вы, кстати, тоже наверняка с ним не раз сталкивались, пытаясь мокрыми руками оторвать кусочек бумажного полотенца: намокшая бумага рвётся гораздо легче, чем сухая.

Так вот, авторы отмечают, что обнаруженный ими эффект обратный: смачивание специальными жидкостями «упрочняет» материал.

Помимо тонкой настройки механических свойств при обработке деталей электроники или создания нового поколения «самозалечивающихся» материалов, обнаруженный эффект поможет решить ещё одну проблему, считает Карл Сьерадски, профессор Фултонской инженерной школы Университета Аризоны.

Он предположил, что полученные его немецким и китайским коллегами данные помогут создать новые интеркалированные материалы для электродов металл-ионных батарей.

Упругие свойства помогут им выдерживать изменения объёма в процессе перезарядки без серьёзных механических повреждений.