Wat bijna alles van metaal beïnvloedt, van auto's tot boten tot ondergrondse leidingen en zelfs de vullingen in je tanden? Corrosie - een langzaam proces van verval. Tegen een wereldwijde kostprijs van biljoenen dollars per jaar, er hangt een stevig prijskaartje aan, laat staan, de potentiële veiligheid, gevaren voor het milieu en de gezondheid die het met zich meebrengt.

"Corrosie is al heel lang een groot probleem, ", zegt Jacob Israelachvili, professor chemische technologie aan de UC Santa Barbara. Vooral in kleine ruimtes - dunne openingen tussen machineonderdelen, het contactgebied tussen hardware en metalen plaat, achter afdichtingen en onder pakkingen, naden waar twee oppervlakken elkaar ontmoeten - nauwkeurige observatie van een dergelijke elektrochemische oplossing was een enorme uitdaging geweest, hij voegde toe.

Niet meer.

Met behulp van een apparaat genaamd de Surface Forces Apparatus (SFA), ontwikkeld door Israelachvili, hij en zijn onderzoeksteam onderzochten het proces van spleet- en putcorrosie en konden het proces van corrosie op beperkte oppervlakken in realtime bekijken. Uitgevoerd met afgestudeerde student Howard Dobbs en projectwetenschapper Kai Kristiansen van UCSB, en collega's van het Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf, de studie is gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

"Met de SFA, we kunnen de dikte van onze metaalfilm van belang nauwkeurig bepalen en de ontwikkeling in de loop van de tijd volgen naarmate de corrosie vordert, "Zei Kristiansen. De opstelling van de onderzoekers stelde hen ook in staat om controle te hebben over de zoutsamenstelling van de oplossing, en temperatuur, evenals de elektrische potentiaal van het nikkeloppervlak.

Spleet- en putcorrosie is niet het soort wijdverbreide oppervlakteroest dat je kunt zien op de rompen van oude schepen die zijn blootgesteld aan de oceaan. Deze zijn in plaats daarvan intens, gelokaliseerde aanvallen, waar zichtbaar verval bedrieglijk klein kan lijken. In feite, dingen lijken prima totdat ze catastrofaal falen:machines vallen uit elkaar, bruggen gesp, storing van de motoren van zeevarende schepen, tandvullingen vallen uit.

Voor dit experiment bestudeerden de onderzoekers een nikkelfilm tegen een mica-oppervlak. Ze concentreerden zich op het begin van corrosie - het punt waarop het metalen oppervlak begint op te lossen. Ze constateerden dat de afbraak van het materiaal niet homogeen verliep. Liever, bepaalde gebieden - locaties waar er waarschijnlijke scheurtjes op microschaal en andere oppervlaktedefecten waren - zouden intense lokale corrosie ervaren, resulterend in het plotseling verschijnen van putten.

"Het is erg anisotroop, "Israëlachvili zei:uitleggend dat zelfs binnen de spleten, er gebeuren verschillende dingen in de buurt van de opening versus diep in de spleet. "Omdat er diffusie plaatsvindt, het beïnvloedt de snelheid waarmee het metaal oplost, zowel in als uit de spleet. Het is een zeer complex proces."

"De eerste stap in het corrosieproces is meestal erg belangrijk, aangezien dat u vertelt dat een eventuele beschermende oppervlaktelaag is afgebroken en dat het onderliggende materiaal wordt blootgesteld aan de oplossing, " zei Dobbs. Vanaf daar, volgens de onderzoekers de corrosie verspreidt zich vanuit de putten en doet dit vaak snel, omdat het onderliggende materiaal niet zo goed bestand is tegen de corrosieve vloeistof.

"Een van de belangrijkste aspecten van onze bevinding is het belang van het elektrische potentiaalverschil tussen de film van belang en het aangrenzende oppervlak bij het initiëren van corrosie, " voegde Kristiansen toe. Wanneer het elektrische potentiaalverschil een bepaalde kritische waarde bereikt, hoe groter de kans dat corrosie begint en hoe sneller het zich zal verspreiden. In dit geval, de nikkelfilm ondervond corrosie terwijl de meer chemisch inerte mica heel bleef.

"We hebben dit interessante effect eerder gezien bij andere metalen en niet-metalen materialen, "Zei Dobbs. "We hebben een paar stukjes van de puzzel, maar we proberen nog steeds het volledige mechanisme van dit fenomeen te ontrafelen."

Dit onderzoek naar realtime, corrosiemechanismen op micro- en nanoschaal bieden waardevolle informatie waarop de wetenschappers kunnen voortbouwen, wat kan leiden tot modellen en voorspellingen van hoe en wanneer materialen in besloten ruimten waarschijnlijk zullen corroderen.

"In principe gaat het om het verlengen van de levensduur van metalen en apparaten, " zei Israelachvili. Vooral in deze tijd waar apparaten erg klein kunnen zijn, en je kunt ze zelfs in het lichaam stoppen, hij voegde toe, Als u begrijpt hoe u corrosiegevoelige oppervlakken op de juiste manier kunt beschermen, hoeft u ze minder te vervangen als gevolg van schade.

Omgekeerd, inzicht in hoe de ontbinding kan worden versneld waar dat passend zou zijn, zou ook gunstig zijn, zoals bij niet-traditionele (bijv. aluminosilica) cementen die minder koolstofdioxide produceren.

"Een belangrijke stap in de cementvorming is het oplossen van de belangrijkste ingrediënten van cement, silica en aluminiumoxide, die erg traag is en zeer bijtende omstandigheden vereist die onveilig zijn voor gebruik in grootschalige productie, "Zei Dobbs. "Het verbeteren van de oplossnelheid terwijl de noodzaak van onveilige, bijtende oplossingen zouden een technologische barrière wegnemen bij de implementatie van niet-traditionele cementen."