Als je valt, een botsing op het veld of een andere traumatische klap, het eerste wat de dokter zal doen is een röntgenfoto maken, CT-scan of MRI om te bepalen of er inwendig iets is beschadigd. Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) gebruiken hetzelfde principe, maar in een sterkere vorm, om corrosie te detecteren, het voornaamste gevaar dat de gezondheid van het stalen frame binnen de bruggen van het land bedreigt, wegen en andere verouderende fysieke infrastructuur.

Wat ze hebben ontwikkeld, is een niet-invasieve "spectrale vingerafdruk" -techniek die de corrosie van in beton omhuld staal onthult voordat het enige significante aantasting van de structuur die het ondersteunt kan veroorzaken. De detectiemethode wordt beschreven in een nieuw artikel in het tijdschrift Toegepaste magnetische resonantie .

Wanneer water en zuurstof ijzer aantasten, er worden verschillende ijzeroxideproducten geproduceerd, met de twee meest voorkomende zijn goethiet en hematiet. "De bruine roest die ontstaat als je een hamer in de regen laat staan, is meestal goethiet, en wanneer een stalen wapeningsstaaf [wapening] corrodeert in een betonnen brugdek, dat is meestal hematiet, " zei NIST fysisch chemicus Dave Plusquellic. "We hebben in onze nieuwe studie met goethiet aangetoond, en ons eerdere werk met hematiet, dat terahertz-straling - elektromagnetische golven met frequenties die 10 tot 100 keer hoger zijn dan de microgolven die worden gebruikt om voedsel te koken - beide corrosieproducten in de vroege stadia van vorming kunnen detecteren."

Huidige beeldvormingsmethoden voor het blootleggen van corrosie maken gebruik van microgolven om veranderingen in de fysieke toestand van het aangetaste staal vast te leggen, zoals veranderingen in de dikte van een wapening in het beton van een brug of andere constructie.

"Helaas, tegen de tijd dat dergelijke veranderingen waarneembaar zijn, het corrosieproces is al goed op weg om scheuren in het beton te veroorzaken, " zei natuurkundige en NIST-collega Ed Garboczi.

Aanvullend, Garboczi zei dat de meeste microgolfbeeldvormingsmethoden gebaseerd zijn op vergelijkingen met basislijnmetingen van het staal genomen op het moment van constructie, een praktijk die maar zo'n 25 jaar teruggaat.

"Dat is een echt probleem sinds de gemiddelde leeftijd van de 400, 000 met staal versterkte betonnen bruggen in de Verenigde Staten is 50 jaar en er zijn geen basisgegevens beschikbaar voor veel van hen, " hij legde uit.

De NIST terahertz-golfdetectiemethode werkt omdat goethiet en hematiet antiferromagnetisch zijn. Met andere woorden, de elektronenparen die naast elkaar zitten in de ijzeratomen in deze materialen draaien in tegengestelde richtingen, waardoor ze onaangetast blijven door externe magnetische velden. In tegenstelling tot, de elektronen in de ijzeratomen van een huishoudmagneet, die ferromagnetisch is, draaien in dezelfde richting en worden aangetrokken of afgestoten door externe magnetische velden.

"Terahertz-golven zullen de spin-uitlijning van een van de elektronen in een paar omdraaien en worden geabsorbeerd door hematiet of goethiet, "Zei Plusquellic. "Met behulp van een millimetergolfdetector, we ontdekten dat deze antiferromagnetische absorptie alleen optreedt binnen nauwe frequentiebereiken in het terahertz-gebied van het elektromagnetische spectrum - wat 'spectrale vingerafdrukken' oplevert die uniek zijn voor goethiet en hematiet, en op zijn beurt, ijzercorrosie."

Met de huidige vooruitgang in terahertz-bronnen en -detectoren, de nieuwe niet-destructieve evaluatietechniek van NIST heeft het potentieel om snel kleine hoeveelheden ijzerhoudende oxiden te detecteren uit vroege corrosie van staal omgeven door beton, polymeercomposieten (zoals leidingisolatie in een fabriek), verf en andere beschermende materialen.

"In het laboratorium, we hebben aangetoond dat een terahertz-bron van 2 milliwatt golven kan produceren die hematiet detecteren door 25 millimeter beton, Plusquellic zei. "Door gebruik te maken van terahertz-bronnen met vermogens in de honderden milliwatts en ultramoderne ontvangers met ongekende signaal-ruisverhoudingen, we zouden 50 millimeter moeten kunnen doordringen, de dikte van het beton dat de eerste laag wapening bedekt die in de meeste met staal versterkte betonconstructies wordt gebruikt."

De volgende stap voor het NIST-team is een poging om een ​​spectrale vingerafdruk te vinden voor akageneiet, een ijzercorrosieproduct gevormd in aanwezigheid van chloride-ionen, die afkomstig zijn van bronnen als zeewater en strooizout.

"Akageneiet kan problemen veroorzaken in met staal versterkt beton, vergelijkbaar met die van goethiet en hematiet, ' zei Garboczi.

De antiferromagnetische corrosiedetectiemethode werd voor het eerst bedacht in 2009 door wijlen William Egelhoff, een NIST fellow en pionier op het gebied van magnetische materialen.