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Jul 11, 2023

Caratterizzazione strutturale e degradazione del Mg

Scientific Reports volume 13, numero articolo: 12572 (2023) Cita questo articolo 88 Accessi 4 Dettagli metriche altmetriche Film sottili indipendenti di leghe Mg-Li (magnesio-litio) con una frazione di massa di Li

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12572 (2023) Citare questo articolo

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Sono stati preparati e studiati film sottili indipendenti di leghe Mg-Li (magnesio-litio) con una frazione di massa di Li compresa tra 1,6% (m/m) e 9,5% (m/m) rispetto alla loro struttura e alle proprietà di degradazione. Con l’aumento del contenuto di Li, la microstruttura devia dal Mg-Li esagonale con una crescita colonnare rigorosa e un orientamento preferito, e si verificano ulteriori Mg-Li e Li2CO3 cubici. La velocità di corrosione è stata misurata nella soluzione salina bilanciata di Hanks mediante polarizzazione potenziodinamica e misurazioni della perdita di peso per studiare la biodegradazione. Le influenze dell'orientamento, della fase e della formazione dello strato protettivo portano ad un aumento della corrosione da 1,6 a 5,5% (m/m) da 0,13 ± 0,03 a 0,67 ± 0,29 mm/anno se misurato mediante polarizzazione potenziodinamica ma una velocità di corrosione simile per il 9,5% (m/m) e 3% (m/m) di Li di 0,27 ± 0,07 mm/anno e 0,26 ± 0,05 mm/anno.

Il magnesio e le sue leghe sono ampiamente studiati come materiali per applicazioni in campo medico grazie alla loro biodegradabilità. Diversi elementi come, ad esempio, Ca, Zn o elementi delle terre rare (REE) sono inclusi per migliorare le proprietà meccaniche o personalizzare la velocità di degradazione per adattarli ad applicazioni come, ad esempio, stent o impianti ossei1,2,3,4. Oltre al vantaggio di avere un impianto che si degrada quando non è più necessario, i possibili effetti terapeutici degli impianti vengono esplorati, ad esempio, caricando gli stent con strati a rilascio di farmaco5 o utilizzando il processo di corrosione e i cambiamenti nell'ambiente come il pH e l'evoluzione dell'idrogeno direttamente per le sue proprietà antibatteriche6.

In linea con l'idea di utilizzare l'impianto stesso come trattamento, in questo studio verrà analizzata una lega contenente l'elemento terapeuticamente attivo litio. Il litio viene utilizzato nella cura dei disturbi dell'umore, in particolare del disturbo bipolare, ed è studiato anche per avere effetti sull'Alzheimer e sul morbo di Parkinson7,8,9,10. Il magnesio stesso mostra anche effetti neurologici11. Pertanto, la degradazione e, quindi, il rilascio continuo sia del magnesio che di altri elementi consentirebbe un trattamento locale nel cervello. Se si ottiene un rilascio controllato e locale comprendendo la degradazione del materiale, gli effetti collaterali che possono verificarsi durante il trattamento con Li12 potrebbero essere ridotti.

Per Mg-Li, la struttura nei materiali sfusi differisce dal Mg puro per una riduzione della distanza in direzione c e un cambiamento di fase in una fase cubica a corpo centrato (bcc) (fase β) per le frazioni di Li più elevate (fase Mg-Li diagramma, Fig. 113). Questo cambiamento porta a un ulteriore scorrimento non basale sui piani prismatici, al geminamento e a proprietà più duttili anche nelle leghe hcp Mg-Li. Per frazioni di Li più elevate, l'aggiunta della seconda fase può modificare significativamente le proprietà meccaniche. Li et al. ha mostrato che le crepe si formano preferibilmente ai confini delle fasi, il che è facilitato dalla differenza nel numero di sistemi di scorrimento presenti in entrambe le fasi e, quindi, da una differenza nell'accumulo di stress14. Inoltre, l'invecchiamento della seconda fase e il passaggio dalla fase bcc a hcp anche a temperatura ambiente influenzano le proprietà nel tempo14,15.

Diagramma di fase Mg–Li, adattato da13. È raffigurata la regione con una frazione di Li dallo 0 al 50% (n/n) e la concentrazione delle pellicole campione (frazione di massa di Li di 1,6% (m/m), 3% (m/m), 5,5% (m/m) m) e 9,5% (m/m)) sono contrassegnati. Basse concentrazioni di Li portano ad una fase α ricca di Mg con una struttura hcp e alte concentrazioni di Li portano ad una fase β con una struttura bcc. Nelle regioni a fase mista si formano la fase α e la fase β.

La velocità di corrosione delle leghe Mg-Li è influenzata da diversi fattori come l'elevata attività del Li, il cambiamento della microstruttura e dei film superficiali. Il basso potenziale elettrochimico del litio porta ad un aumento della cinetica catodica e ad uno spostamento più significativo del pH. La corrosione filiforme risulta essere uno dei principali processi di corrosione che si verificano per le leghe Mg-Li nei materiali α o α + β16,17,18. Per film con fasi miste, l'accoppiamento micro-galvanico si trova come un fattore principale per un aumento della velocità di corrosione con corrosione e vaiolatura preferite ai confini delle fasi19,20. Tuttavia, la diversità della microstruttura e degli strati protettivi formati durante la corrosione rende difficile un'indicazione chiara dell'influenza dei diversi fattori sulla velocità di corrosione. Li et al. ha dimostrato che la velocità di corrosione diminuisce da α + β > α > β18. Si presume che la minore velocità di corrosione della fase bcc sia dovuta all'elevata densità e stabilità dello strato protettivo formato. Mentre per la fase ricca di Mg, durante la corrosione si prevede che si formi principalmente uno strato poroso di Mg(OH)221,22, le strutture degli strati dei film superficiali formati su Mg–Li, inclusa la fase bcc, sono complesse. Xu et al., ad esempio, hanno analizzato la struttura del film naturale formato nell'aria come un film di Li2CO3 sulla superficie, un film di ossido di Mg e di litio al di sotto e un film ricco di Mg prima del materiale sfuso23. Altri studi sostengono che i film formati nell'aria o durante la corrosione siano costituiti da diversi composti tra cui carbonati, ossidi e idrossidi sia di Li che di Mg, spesso separati in una struttura a strati16,24,25. Studi precedenti presumevano o sospettavano che il Li2CO3 formato avesse l'influenza principale sulla maggiore resistenza alla corrosione della fase bcc23,26,27. Il rapporto Pilling-Bedworth (PBR), che è una misura dello stress del film e, quindi, identifica un film stabile per 1 < PBR < 2, è > 1 per tutti i rapporti Mg:Li per Li2CO3. Pertanto, potrebbe già formarsi per frazioni di massa di Li inferiori nella fase hcp18. Yan et al. suggeriscono un'altra possibile influenza come il doping del Li e quindi il rafforzamento dell'MgO e l'ostacolo della formazione dell'idrossido di magnesio più poroso e meno protettivo. Poiché si calcola che la frazione critica di Li per la formazione di uno strato stabile di MgO sia intorno a 15–18 a. % (4,8–5,9%(m/m)), questo è in accordo con la formazione dello strato solo su Mg–Li con β o α + β28. Pertanto, presupponendo la formazione di uno strato stabile di MgO mediante drogaggio di Li, le frazioni di Li più elevate portano ad una diminuzione della velocità di corrosione modificando lo stress del film.