Ny tilgang forbedrer evnen til at forudsige metals reaktioner med vand

Den brede rækkevidde af korrosion, et globalt problem på flere milliarder dollars, kan en dag blive indsnævret betydeligt takket være en ny, bedre tilgang til at forudsige, hvordan metaller reagerer med vand.

Forskere ved Oregon State University og University of California, Berkeley, har udviklet en ny beregningsmetode, der kombinerer to teknikker til at gøre forudsigelser hurtigere, billigere og mere effektivt.

Fundene, udgivet i Naturkommunikation , kunne have en bred vifte af applikationer, herunder ved design af broer og flymotorer, som begge er modtagelige for korrosion.

Hvert metal undtagen ædle metaller som guld og sølv reagerer med vand, sagde Doug Keszler, fremtrædende professor i kemi i Oregon State's College of Science.

"Vi vil gerne forudsige de specifikke reaktioner af metaller og kombinationer af metaller med vand, og hvad produkterne af disse reaktioner er, ved beregningsmetoder først i modsætning til at bestemme dem eksperimentelt, "sagde Keszler, der også fungerer som direktør for Center for Sustainable Materials Chemistry på OSU.

Traditionelt set Keszler bemærkede, når man ser på metaller opløst i vand, den kemiske antagelse har været, at et metal opløses for at danne et simpelt salt. Det er ikke altid det der sker, imidlertid.

"I mange tilfælde, det opløses oprindeligt for at danne en kompleks klynge, der indeholder mange metalatomer, "sagde han." Vi kan nu forudsige de typer klynger, der findes i løsning, fremmer derfor forståelsen af ​​metalopløsning fra et beregningsmæssigt synspunkt. "

Undersøgelse af vandigt metaloxid og hydroxidklynger fra gruppe 13 -elementer - aluminium, gallium, indium og thallium - forskere koblede kvantemekaniske beregninger med en "gruppeadditivitet" tilgang til at oprette Pourbaix -diagrammer, guldstandarden for beskrivelse af opløste metaller i vand.

"Anvendelse af denne nye tilgang, vi når frem til en kvantitativ evaluering af klyngestabilitet som funktion af pH og koncentration, "sagde studieforfatter Paul Ha-Yeon Cheong, lektor i kemi ved OSU.

Forståelse af klynger er kritisk på grund af den rolle, de spiller i kemiske processer lige fra biomineralisering til løsningsaflejring af tynde film til elektronikapplikationer. Og karakterisering af korrosion stammer fra at kunne skildre metals stabile faser i vand.

"Hvis du designer et nyt stål til en bro, for eksempel, du gerne vil medtage potentialet for korrosion i en beregningsmæssig designproces, "Sagde Keszler." Eller hvis du har et nyt metal til en flymotor, du gerne vil være i stand til at afgøre, om det kommer til at tære. "

Disse eksempler er ikke kun hypotetiske. Bare sidste sommer, et japansk flyselskab måtte renovere alle 100 Rolls-Royce-motorer på sin flåde af Boeing 787 Dreamliners efter en række motorfejl forårsaget af korrosion og revner i turbineblade. Motorerne sælger for $ 20 millioner hver.

"De fleste Pourbaix -diagrammer inkluderer ikke disse metalklynger, og derfor har vores forståelse af metalopløsning og reaktion med vand manglet, "sagde studieforfatter Kristin A. Persson, professor i materialevidenskab ved UC Berkeley. "Vi har nu afsløret en hurtig og præcis formalisme til simulering af disse klynger i computeren, som vil transformere vores evner til at forudsige, hvordan metaller reagerer i vand. "