Wanneer waterdamp metaal ontmoet, kan de resulterende corrosie leiden tot mechanische problemen die de prestaties van een machine schaden. Via een proces dat passivatie wordt genoemd, kan het ook een dunne, inerte laag vormen die als barrière fungeert tegen verdere achteruitgang.

Hoe dan ook, de exacte chemische reactie is op atomair niveau nog niet goed begrepen, maar dat is aan het veranderen dankzij een techniek die milieutransmissie-elektronenmicroscopie (TEM) wordt genoemd, waarmee onderzoekers rechtstreeks kunnen zien hoe moleculen op de kleinst mogelijke schaal met elkaar interacteren.

Professor Guangwen Zhou – faculteitslid aan het Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science van Binghamton University – onderzoekt de geheimen van atoomreacties sinds hij in 2007 bij de afdeling Werktuigbouwkunde kwam. Samen met medewerkers van de Universiteit van Pittsburgh en de Brookhaven National Laboratory heeft hij de structurele en functionele eigenschappen van metalen en het proces van het maken van "groen" staal bestudeerd.

Hun laatste onderzoek, "Atomistische mechanismen van door waterdamp geïnduceerde oppervlaktepassivering", werd in november gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances .

In het artikel introduceerden Zhou en zijn team waterdamp om aluminiummonsters te reinigen en observeerden ze de oppervlaktereacties.

"Dit fenomeen is bekend omdat het in ons dagelijks leven voorkomt", zei hij. "Maar hoe reageren watermoleculen met aluminium om deze passivatielaag te vormen? Als je naar de [onderzoeks]literatuur kijkt, is er niet veel werk over hoe dit op atomaire schaal gebeurt. Als we het voorgoed willen gebruiken, moeten we weten want dan hebben we een manier om het onder controle te houden."

Ze ontdekten iets dat nog nooit eerder was waargenomen:naast de aluminiumhydroxidelaag die zich op het oppervlak vormde, ontwikkelde zich daaronder een tweede amorfe laag, wat erop wijst dat er een transportmechanisme is dat zuurstof in het substraat verspreidt.

"De meeste corrosiestudies richten zich op de groei van de passivatielaag en hoe deze het corrosieproces vertraagt", zei Zhou. "Als we het vanuit atomaire schaal bekijken, denken we dat we de kenniskloof kunnen overbruggen."

De kosten voor het herstellen van corrosie wereldwijd worden geschat op 2,5 biljoen dollar per jaar, wat meer is dan 3% van het mondiale bbp. Het ontwikkelen van betere manieren om oxidatie te beheersen zou dus een economische zegen zijn.

Bovendien zou het begrijpen van hoe de waterstof- en zuurstofatomen van een watermolecuul uit elkaar vallen om met metalen in wisselwerking te treden, kunnen leiden tot oplossingen voor schone energie. Daarom heeft het Amerikaanse ministerie van Energie dit onderzoek en de soortgelijke projecten van Zhou in het verleden gefinancierd.

"Als je water in zuurstof en waterstof opsplitst wanneer je het opnieuw combineert, is het weer gewoon water", zei hij. "Het is niet vervuild door fossiele brandstoffen en produceert geen koolstofdioxide."

Vanwege de implicaties voor schone energie heeft de DOE de afgelopen vijftien jaar regelmatig de subsidiefinanciering van Zhou verlengd.

"Ik waardeer de langdurige steun voor dit onderzoek enorm", zei Zhou. "Het is een heel belangrijk probleem voor energieapparaten of energiesystemen, omdat je veel metaallegeringen hebt die als structureel materiaal worden gebruikt."

Meer informatie: Xiaobo Chen et al, Atomistische mechanismen van door waterdamp geïnduceerde passivatie van oppervlakken, Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI:10.1126/sciadv.adh5565

Journaalinformatie: Wetenschappelijke vooruitgang

Aangeboden door Binghamton University