Het brede bereik van corrosie, een wereldwijd probleem van miljarden dollars, kan op een dag aanzienlijk worden verkleind dankzij een nieuwe, betere benadering om te voorspellen hoe metalen reageren met water.

Onderzoekers van de Oregon State University en de University of California, Berkeley, hebben een nieuwe rekenmethode ontwikkeld die twee technieken combineert om sneller voorspellingen te doen, goedkoper en effectiever.

De bevindingen, gepubliceerd in Natuurcommunicatie , kan een breed scala aan toepassingen hebben, onder meer bij het ontwerp van bruggen en vliegtuigmotoren, die beide gevoelig zijn voor corrosie.

Elk metaal behalve edele metalen zoals goud en zilver reageert met water, zei Doug Keszler, vooraanstaand hoogleraar scheikunde aan het Oregon State's College of Science.

"We willen de specifieke reacties van metalen en combinaties van metalen met water voorspellen en wat de producten van die reacties zijn, eerst door computationele methoden in plaats van ze experimenteel te bepalen, " zei Keszler, die ook dienst doet als directeur van het Centre for Sustainable Materials Chemistry bij OSU.

traditioneel, Keszler merkte op, als we kijken naar metalen opgelost in water, de chemische veronderstelling was dat een metaal oplost om een ​​eenvoudig zout te vormen. Dat is niet altijd wat er gebeurt, echter.

"Vaak, het lost aanvankelijk op om een ​​complexe cluster te vormen die veel metaalatomen bevat, " zei hij. "We kunnen nu de soorten clusters voorspellen die in oplossing bestaan, daarom het begrip van metaaloplossing vanuit een computationeel oogpunt bevorderen."

Het bestuderen van waterige metaaloxide- en hydroxideclusters van Groep 13-elementen - aluminium, gallium, indium en thallium - wetenschappers koppelden kwantummechanische berekeningen aan een "groepsadditiviteit" -benadering om Pourbaix-diagrammen te maken, de gouden standaard voor het beschrijven van opgeloste metaalsoorten in water.

"Door deze nieuwe aanpak toe te passen, komen we tot een kwantitatieve evaluatie van clusterstabiliteit als functie van pH en concentratie, " zei co-auteur van de studie Paul Ha-Yeon Cheong, universitair hoofddocent scheikunde aan OSU.

Het begrijpen van clusters is van cruciaal belang vanwege de rol die ze spelen in chemische processen, variërend van biomineralisatie tot oplossingsafzetting van dunne films voor elektronische toepassingen. En het karakteriseren van corrosie komt voort uit het kunnen weergeven van de stabiele fasen van metalen in water.

"Als je een nieuw staal ontwerpt voor een brug, bijvoorbeeld, je het potentieel voor corrosie wilt opnemen in een computationeel ontwerpproces, "Zei Keszler. "Of als je een nieuw metaal hebt voor een vliegtuigmotor, je zou willen kunnen bepalen of het gaat corroderen."

Deze voorbeelden zijn niet louter hypothetisch. Net afgelopen zomer, een Japanse luchtvaartmaatschappij moest alle 100 Rolls-Royce-motoren van haar vloot Boeing 787 Dreamliners opknappen na een reeks motorstoringen veroorzaakt door corrosie en barsten van turbinebladen. De motoren worden elk voor $ 20 miljoen verkocht.

"De meeste Pourbaix-diagrammen bevatten deze metaalclusters niet en daarom ontbrak ons ​​begrip van metaaloplossing en reactie met water, " zei co-auteur van de studie Kristin A. Persson, hoogleraar materiaalkunde aan UC Berkeley. "We hebben nu een snel en nauwkeurig formalisme ontdekt om deze clusters in de computer te simuleren, wat ons vermogen zal veranderen om te voorspellen hoe metalen in water reageren."