Forskere får et glimt af nanoskala af sprække- og grubetæring, mens det sker

Hvad påvirker næsten alt lavet af metal, fra biler til både til underjordiske rør og endda fyldninger i dine tænder? Korrosion - en langsom nedbrydningsproces. Til en global pris på billioner af dollars årligt, det har en høj pris, for ikke at nævne, den potentielle sikkerhed, miljø- og sundhedsfarer, det udgør.

"Korrosion har været et stort problem i meget lang tid, " sagde UC Santa Barbara kemiingeniørprofessor Jacob Israelachvili. Især i trange rum - tynde mellemrum mellem maskindele, kontaktområdet mellem hardware og metalplade, bag tætninger og under pakninger, sømme, hvor to overflader mødes - tæt observation af en sådan elektrokemisk opløsning havde været en enorm udfordring, han tilføjede.

Ikke mere.

Ved at bruge en enhed kaldet Surface Forces Apparatus (SFA) udviklet af Israelachvili, han og hans forskerhold undersøgte processen med sprække- og grubetæring og var i stand til at få et realtidskig på korrosionsprocessen på begrænsede overflader. Udført med kandidatstuderende Howard Dobbs og projektforsker Kai Kristiansen fra UCSB, og kolleger ved Max-Planck-Institut für Eisenforschung i Düsseldorf, undersøgelsen er publiceret i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Med SFA, vi kan nøjagtigt bestemme tykkelsen af ​​vores metalfilm af interesse og følge udviklingen over tid, efterhånden som korrosionen skrider frem, " sagde Kristiansen. Forskernes opsætning gjorde det også muligt for dem at have kontrol over opløsningens saltsammensætning, og temperatur, samt nikkeloverfladens elektriske potentiale.

Sprække- og grubetæring er ikke den form for udbredt overfladerust, du kan se på skroget af gamle skibe udsat for havet. Disse er i stedet intense, lokaliserede angreb, hvor synligt forfald kan se bedragerisk mindre ud. Faktisk, ting ser ud til at være fint, indtil de fejler katastrofalt:maskiner går i stykker, broer spænde, søfartsskibs motorer fungerer ikke, tandfyldninger falder ud.

Til dette eksperiment studerede forskerne en nikkelfilm mod en glimmeroverflade. De fokuserede på initieringen af ​​korrosion - det punkt, hvor metaloverfladen begynder at opløses. De observerede, at nedbrydningen af ​​materialet ikke skete på en homogen måde. Hellere, visse områder - steder, hvor der var sandsynlige mikroskala revner og andre overfladedefekter - ville opleve intens lokal korrosion, hvilket resulterede i den pludselige fremkomst af gruber.

"Det er meget anisotropisk, "Israelachvili sagde, forklarer, at selv inden for sprækkerne, Der sker forskellige ting nær åbningen i forhold til dybt inde i sprækken. "Fordi du har diffusion i gang, det påvirker den hastighed, hvormed metallet opløses både ind og ud af sprækken. Det er en meget kompleks proces."

"Det første trin i korrosionsprocessen er normalt meget vigtigt, da det fortæller dig, at ethvert beskyttende overfladelag er nedbrudt, og at det underliggende materiale er udsat for opløsningen, " sagde Dobbs. Derfra, ifølge forskerne, korrosionen spreder sig fra gruberne og gør det ofte hurtigt, fordi det underliggende materiale ikke er så modstandsdygtigt over for den ætsende væske.

"Et af de vigtigste aspekter af vores fund er betydningen af ​​den elektriske potentialforskel mellem filmen af ​​interesse og den tilsvarende overflade for at initiere korrosion, " tilføjede Kristiansen. Når den elektriske potentialforskel når en vis kritisk værdi, jo mere sandsynligt vil korrosion begynde, og jo hurtigere vil den sprede sig. I dette tilfælde, nikkelfilmen oplevede korrosion, mens den mere kemisk inerte glimmer forblev hel.

"Vi har set denne interessante effekt før med andre metal- og ikke-metalmaterialer, " sagde Dobbs. "Vi har nogle brikker i puslespillet, men vi søger stadig at optrevle den fulde mekanisme af dette fænomen."

Denne forskning i realtid, Korrosionsmekanismer i mikro- og nanoskala giver værdifuld information, som forskerne kan bygge på, hvilket kan føre til modeller og forudsigelser af, hvordan og hvornår materialer i lukkede rum sandsynligvis vil korrodere.

"Dybest set er det et spørgsmål om at forlænge levetiden for metaller og enheder, " sagde Israelachvili. Især i disse dage, hvor enheder kan være meget små, og du kan endda putte dem i kroppen, han tilføjede, at forstå, hvordan man korrekt beskytter korrosionsudsatte overflader, vil reducere behovet for at udskifte dem på grund af skader.

Omvendt at forstå, hvordan man fremskynder opløsning, hvor det ville være passende, ville også være gavnligt, såsom med utraditionelle (f.eks. aluminosilica) cementer, der producerer mindre kuldioxid.

"Et vigtigt skridt i cementdannelsen er opløsningen af ​​cementens hovedingredienser, silica og aluminiumoxid, som er meget langsom og kræver meget ætsende forhold, der er usikre til brug i storskalaproduktion, " sagde Dobbs. "Forbedring af opløsningshastigheden og samtidig undgår behovet for usikre, kaustiske løsninger ville fjerne en teknologisk barriere i implementeringen af ​​utraditionelle cementer."