物理學：研究揭示了氧氣如何像氪石到鈦！
加利福尼亞大學伯克利分校的科學家們已經發現了這樣一種機制，即鈦具有高強度重量比和天然抗腐蝕性，只需幾個額外的氧原子即可變脆。
這項發現在2月6日出版的“科學”雜誌上有所描述，它有可能為更廣泛的應用領域中更實用，更具成本效益的鈦的使用打開大門。流行的銀灰色金屬已經可以在高端自行車，筆記本電腦和人體植入物等產品中找到。但是很難獲得具有低氧含量的高品位鈦，並且淨化金屬的費用阻礙了其在建築，汽車和航空航天工業中的廣泛應用。
“如果能夠以保持其最佳性能的方式加工鈦，但成本與鋁相當，那麼你會發現它可用於汽車，卡車，飛機和船舶，”研究資深作者Andrew Minor說，他是材料科學和材料科學副教授。勞倫斯伯克利國家實驗室的工程和教師科學家。“鈦的高耐腐蝕性和優異的特性非常具有吸引力，並且降低鋁的成本將使得使用這種材料變得簡單。”
Minor領導了一個材料科學與工程系的研究團隊，專注於解決冶金中長期存在的神秘問題，即氧氣如何導致金屬特性發生如此深刻的變化。
“氧氣就像鈦的毒藥一樣，”Minor說。“隨著氧氣的增加，材料越來越硬，越容易受到裂縫的影響，這些材料對於結構材料來說是不可取的。”
良好的結構材料將具有延展性的適當平衡 - 響應於應力和強度而彎曲的能力。Minor指出，玻璃堅固而堅硬，但不具有延展性，這就是為什麼這種材料不用於製造車輛或橋樑的原因。
Minor補充說，雖然許多金屬有可能變得脆弱，但鈦對元素的微小部分特別敏感。3級鈦只有0.3％的氧氣，但它的硬度是1級鈦的三分之一，即0.1％的氧氣。研究作者說，瞭解氧氣如何硬化鈦提供了研究過程控制的目標。
研究人員對各種等級的鈦樣品進行了納米壓縮測試，並使用先進的透射電子顯微鏡技術和缺陷結構的量子力學預測檢查了所產生的影響。他們發現，氧與晶體缺陷（稱為位錯）之間的相互作用是鈦的特徵，這是材料硬化的關鍵。
研究人員發現，氧原子在鈦路中發現的螺旋形狀位錯的作用就像顛簸一樣。研究報告的共同作者，材料科學與工程教授Daryl Chrzan領導了該項目的理論工作，他說：“隨著位錯突然出現以及這些原子碰撞產生的機械改組產生了更多錯位的多米諾骨牌效應。”研究人員發現，隨著氧氣的增加，鈦變得更難彎曲，因此更容易開裂。
通過彎曲紙夾直至其斷裂，可以看到類似的效果。金屬彎曲越多，位錯的數量越多。位錯會干擾其他缺陷的運動，使紙夾更難彎曲。最終，位錯的數量如此之高，以至於紙夾不再彎曲，而是斷裂。
“現在我們知道廉價鈦中發現的氧氣會導致材料硬化，我們可以努力找出一種方法來處理它，將氧原子移動到不會引起問題的地方，”研究報告的共同作者，材料科學與工程教授Mark Asta。
Minor指出，這已經在半導體工業中完成，因為氧和其他雜質也會損害硅基微處理器。
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