金屬及其合金在水溶液環(huán)境下的抗腐蝕自我保護(hù)通常要?dú)w功于其表面形成的氧化物鈍化膜。一般來說，大多數(shù)室溫下形成的氧化物鈍化膜厚度不會(huì)超過幾納米，而且表層鈍化膜通常會(huì)發(fā)生羥基化來有效隔絕基體和外部腐蝕環(huán)境。

    過去幾十年中，對(duì)鈍化膜結(jié)構(gòu)和成分的研究方法有很多，如電化學(xué)方法，光譜學(xué)方法和電子顯微鏡方法等。隨著分辨率的不斷提高，電子顯微鏡方法變得越來越受青睞，使得對(duì)鈍化膜在納米尺度下的直接觀察變得可能。法國 Vincent Maurice 和 Philippe Marcus 課題組利用掃描隧道顯微鏡（scanning tunneling microscopy ）和原子力顯微鏡（atomic force microscopy）對(duì)銅，鎳，鈷等金屬及合金在不同溶液環(huán)境中形成鈍化膜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。利用這類方法，鈍化膜的二維甚至三維結(jié)構(gòu)可以通過探針在樣品表面的原位掃描而得到。同時(shí)，鈍化膜中的不同成分也可以通過其表面原子排列結(jié)構(gòu)的不同而區(qū)分開來。 然而， 這類方法也有一定的弊端：

    探針只能探測(cè)到最外層表面的變化而無法準(zhǔn)確觀測(cè)到鈍化膜 - 基體界面和鈍化膜內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化。

    研究鈍化膜的另一種重要方法就是透射電子顯微鏡觀（TEM）。目前，我的課題組正在利用透射電子顯微鏡對(duì)銅，鎳以及不銹鋼等金屬及合金鈍化膜的結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行準(zhǔn)原位研究。眾所周知，TEM 的優(yōu)點(diǎn)是不僅可以觀察到鈍化膜的形貌，而且可以同時(shí)研究其與基體截面（包括外層，內(nèi)層鈍化膜和基體）的結(jié)構(gòu)和成分。例如，我們通過 TEM 對(duì)金屬鎳在酸性和堿性水溶液中形成的鈍化膜進(jìn)行了研究：鎳的鈍化膜由外層不完整的氫氧化鎳和內(nèi)層致密完整的氧化鎳組成（ 見所示的 TEM 高分辨像 . 照相者是黃教授的博士生張博威 ）。其中，內(nèi)層致密的氧化鎳因外延生長(zhǎng)而與鎳基體的晶格取向一致，而外層氫氧化鎳的晶格取向更加隨機(jī)。此外，我們還發(fā)現(xiàn)不銹鋼表面的鈍化膜也有類似的結(jié)構(gòu)，并且其成分更加復(fù)雜。

透射電子顯微鏡下，高分辨率圖像——鎳的雙層鈍化膜

    除了在納米尺度下對(duì)大塊樣品的腐蝕行為研究方向，我們課題組的另一個(gè)重要研究方向是金屬納米材料的腐蝕行為。當(dāng)物質(zhì)尺度小到一定程度時(shí)，它的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)方面的性質(zhì)和大塊固體時(shí)相比將會(huì)有顯著的不同，這使得納米材料擁有越來越廣泛和重要的應(yīng)用。然而，金屬材料難免會(huì)受到周圍應(yīng)用環(huán)境的侵蝕而發(fā)生腐蝕失效。因此，納米金屬材料在不同環(huán)境下的腐蝕行為是非常值得研究的。通過 TEM 的原位觀察，我們可以研究納米金屬材料表面鈍化膜的形成機(jī)理，同時(shí)分析其結(jié)構(gòu)和成分，并與大塊金屬鈍化膜進(jìn)行對(duì)比。 

    作者簡(jiǎn)介

    黃一中，博士，1998年于北京科技大學(xué)畢業(yè)獲博士學(xué)位。近二十多年來在英國牛津大學(xué)以及新加坡南洋理工大學(xué)就職。現(xiàn)為南洋理工大學(xué)終身教授以及牛津大學(xué)訪問學(xué)者并被聘為北京科技大學(xué)新材料研究院兼職教授。擁有一支頗具實(shí)力的學(xué)術(shù)科研團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)中有博士后、博士生、碩士生以及訪問學(xué)者共15人之多。與世界其他著名學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)有緊密合作。其本人迄今為止已在國際刊物上發(fā)表了近一百五十篇學(xué)術(shù)論文，這些刊物包括《自然通訊》（ Nature Communications ）、《先進(jìn)材料》（ Advanced Materials ）、《納米通訊》（ Nano Letters ）雜志。其部分成果正在進(jìn)行商業(yè)轉(zhuǎn)化。他本人同時(shí)還創(chuàng)辦有一個(gè)科技與研發(fā)公司。