«Коррозия была серьезной проблемой в течение очень долгого времени, — сказал профессор химического машиностроения Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Якоб Исраэлашвили. Он добавил, что особенно в ограниченном пространстве — тонкие зазоры между деталями машины, зона контакта между оборудованием и металлической пластиной, за уплотнениями и под прокладками, швы, где встречаются две поверхности — тщательное наблюдение за таким электрохимическим растворением было огромной проблемой.Уже нет.Используя устройство под названием Surface Forces Apparatus (SFA), разработанное Израэлачвили, он и его исследовательская группа исследовали процесс щелевой и точечной коррозии и смогли в режиме реального времени увидеть процесс коррозии на ограниченных поверхностях.
Исследование, проведенное с аспирантом Ховардом Доббсом и научным сотрудником проекта Каем Кристиансеном из UCSB, а также коллегами из Института Макса Планка в Дюссельдорфе, опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.«С помощью SFA мы можем точно определить толщину интересующей нас металлической пленки и проследить развитие коррозии с течением времени», — сказал Кристиансен. Установка исследователей также позволяла им контролировать солевой состав раствора и температуру, а также электрический потенциал поверхности никеля.Щелевая и точечная коррозия — это не тот вид широко распространенной поверхностной ржавчины, которую вы можете увидеть на корпусах старых кораблей, выходящих в океан.
Вместо этого это интенсивные локальные атаки, при которых видимое разрушение может показаться обманчиво незначительным. На самом деле все выглядит прекрасно, пока не выходит из строя катастрофически: машины ломаются, мосты сгибаются, двигатели морских судов выходят из строя, зубные пломбы выпадают.Для этого эксперимента исследователи изучали пленку никеля на поверхности слюды. Они сосредоточились на возникновении коррозии — точке, в которой поверхность металла начинает растворяться.
Они заметили, что разложение материала не происходило однородно. Скорее, определенные области — места, где были вероятные микромасштабные трещины и другие поверхностные дефекты — испытали бы интенсивную местную коррозию, приводящую к внезапному появлению ямок.
«Это очень анизотропно», — сказал Исраэлашвили, объяснив, что даже внутри трещин около отверстия происходят разные вещи, а не глубоко внутри трещины. «Поскольку происходит диффузия, она влияет на скорость растворения металла как в щели, так и из нее. Это очень сложный процесс».
«Первый шаг в процессе коррозии обычно очень важен, поскольку он говорит о том, что любой защитный поверхностный слой разрушился и что лежащий под ним материал подвергается воздействию раствора», — сказал Доббс. Отсюда, по словам исследователей, коррозия распространяется из ям и часто происходит быстро, потому что основной материал не так устойчив к коррозионной жидкости.
«Одним из наиболее важных аспектов нашего открытия является значение разности электрических потенциалов между интересующей пленкой и соприкасающейся поверхностью в инициировании коррозии», — добавил Кристиансен. Когда разность электрических потенциалов достигает определенного критического значения, с большей вероятностью начнется коррозия и тем быстрее она будет распространяться. В этом случае никелевая пленка подверглась коррозии, в то время как более химически инертная слюда оставалась целой.«Мы уже видели этот интересный эффект с другими металлическими и неметаллическими материалами», — сказал Доббс. «У нас есть некоторые кусочки головоломки, но мы все еще пытаемся разгадать полный механизм этого явления».
Это исследование микро- и наноразмерных механизмов коррозии в реальном времени дает ценную информацию, которую ученые могут использовать, что может привести к созданию моделей и прогнозов того, как и когда материалы в замкнутых пространствах могут подвергаться коррозии.«В основном это вопрос продления срока службы металлов и устройств», — сказал Исраэлашвили. Он добавил, что особенно в наши дни, когда устройства могут быть очень маленькими, и вы даже можете поместить их в корпус, понимание того, как правильно защитить подверженные коррозии поверхности, уменьшит необходимость их замены из-за повреждений.И наоборот, понимание того, как ускорить растворение там, где это целесообразно, также будет полезно, например, с нетрадиционными (например, алюмосиликатными) цементами, которые производят меньше диоксида углерода.
«Важным этапом в формировании цемента является растворение основных ингредиентов цемента, кремнезема и глинозема, которое происходит очень медленно и требует очень едких условий, небезопасных для использования в крупномасштабном производстве», — сказал Доббс. «Повышение скорости растворения при одновременном устранении необходимости в небезопасных щелочных растворах устранит технологический барьер при использовании нетрадиционных цементов».