La corrosione, un processo attraverso il quale i metalli si degradano, può porre seri problemi nel tempo, ma fino ad ora era difficile visualizzare e spiegare esattamente come progredisce la corrosione attraverso un metallo o un legame tra due metalli.

Ora, i ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) hanno sviluppato una nuova tecnica per ottenere uno sguardo ad alta risoluzione su come e perché avviene la corrosione. La loro ricerca è stata evidenziata nei numeri di agosto 2023 e ottobre 2023 di Scientific Reports e nel numero di luglio 2022 di The Journal of Physical Chemistry.

Il problema con 'cook-and-look' e altri metodi

"Una delle sfide principali quando si tratta di misurare la corrosione è che si tratta principalmente di 'cottura e aspetto'", ha spiegato Vineet Joshi, scienziato dei materiali presso PNNL. "In genere, i ricercatori prelevano un campione, lo immergono nel mezzo prescelto e, dopo un certo periodo di tempo, osservano la corrosione, ma solo dopo che si è verificata. Quindi generano numerose ipotesi per spiegare la corrosione."

Questo metodo presenta grossi svantaggi. Solo la misurazione a pochi intervalli di tempo lascia i ricercatori a speculare su come la corrosione abbia avuto inizio e si sia spostata attraverso il metallo; rimuovere e reinserire ripetutamente il campione può portare a risultati distorti.

Altri metodi, come la tecnica dell'elettrodo vibrante a scansione o la microscopia cellulare elettrochimica a scansione, prevedono l'immersione del campione e quindi l'uso della corrente per misurare le proprietà elettrochimiche all'interno dei campioni, ma anomalie superficiali e altre irregolarità possono interferire con i risultati.

Analisi della corrosione multimodale

Al PNNL, i ricercatori che lavorano per comprendere i risultati di processi come la saldatura ad attrito e ShAPE sapevano di dover sviluppare un approccio migliore per monitorare la corrosione.

"Volevamo specificamente passare dal metodo "cottura e aspetto" e osservare invece specifici siti di inizio della corrosione per osservare la corrosione in tempo reale", ha affermato Joshi. "Per risolvere questo problema, abbiamo creato un nuovo sistema di analisi su macroscala chiamato analisi della corrosione multimodale."

Attraverso l’analisi multimodale della corrosione, i ricercatori utilizzano sensori, telecamere, elettrodi e un tubo di raccolta dell’idrogeno per osservare l’avanzamento della corrosione in atmosfere semplici; comprendere la natura delle superfici mediante tecniche elettrochimiche; e visualizzare e raccogliere i gas idrogeno, che sono un sottoprodotto della corrosione.

"Combinando i dati provenienti da queste modalità semplici e diverse in tempo reale, possiamo affrontare domande fondamentali su come la corrosione inizia e si propaga nei materiali", ha spiegato Sridhar Niverty, scienziato dei materiali presso PNNL. "L'aspetto dell'imaging correlativo ci informa anche su dove indagare ulteriormente i nostri materiali per capire perché si corrodono. La combinazione sinergica di queste tecniche produce molte più informazioni sulle prestazioni di un materiale di quanto fosse possibile fino ad ora."

Osservare le cose da una prospettiva su scala macro ha fornito al team spunti unici; tuttavia, il processo di corrosione avviene su scala molto più fine.

Microscopia a scansione di impedenza di cella elettrochimica

Pertanto, per analizzare la corrosione con ancora maggiore precisione, gli scienziati del PNNL hanno sviluppato una nuova tecnica chiamata microscopia a scansione di impedenza cellulare elettrochimica che offre risultati molto più affidabili e ad alta risoluzione.

"In questa tecnica, abbiamo tutto il necessario per avviare la corrosione in un tubo molto piccolo, o capillare, inclusi l'elettrolita, l'elettrodo di riferimento e quello di raccolta della corrente", ha affermato Venkateshkumar Prabhakaran, un ingegnere chimico presso PNNL.

"Appoggiando la minuscola apertura di questo capillare sulla superficie, misuriamo proprietà elettrochimiche localizzate e dipendenti dal tempo senza ricevere alcuna interferenza dalle regioni vicine. Ciò ci aiuta a catturare i punti deboli e forti sulla superficie soggetti a corrosione, che altrimenti andrebbero persi quando effettuando misurazioni su larga scala e formulando strategie di mitigazione adeguate."

Questo nuovo approccio si basa su una tecnica precedente chiamata microscopia cellulare elettrochimica a scansione, emersa alcuni anni fa. Il team PNNL ha sviluppato questa tecnica con la spettroscopia di impedenza elettrochimica per misurare l'impedenza a bassa frequenza, che è correlata alla resistenza del metallo e consente una visione microscopica di come la resistenza cambia nel tempo.

"L'aggiunta della spettroscopia di impedenza alla tecnica è stata preziosa per comprendere come cambia una superficie attraverso il giunto metallico (o la lega) correlando le resistenze misurate con le caratteristiche fisiche del metallo", ha affermato Lyndi Strange, chimico del PNNL. "Abbiamo convalidato il nostro metodo confrontando le risposte dell'impedenza complessiva con le risposte misurate tramite la nuova tecnica, il che mostra come ora possiamo isolare eventi di corrosione specifici sulla superficie."

Applicazioni per agitazione a frizione e altro

Questo tipo di granularità offre molti vantaggi concreti, in particolare presso PNNL, dove i ricercatori stanno lavorando duramente per produrre e testare materiali leggeri e giunti per applicazioni automobilistiche utilizzando metodi innovativi come ShAPE e la saldatura ad attrito.

"Grazie alle sue capacità uniche, la nuova tecnica viene utilizzata per acquisire risposte elettrochimiche da varie caratteristiche microstrutturali:grani, bordi dei grani, interfacce, seconde fasi, precipitati e così via", ha spiegato Rajib Kalsar, scienziato dei materiali al PNNL. "Ottenere proprietà elettrochimiche individuali a livello microscopico è vantaggioso per la progettazione di materiali strutturali altamente resistenti alla corrosione."

Nel processo di incisione e stiratura, ad esempio, un minuscolo dispositivo di taglio viene utilizzato per unire materiali con punti di fusione drasticamente diversi senza la necessità di elementi di fissaggio. Ma i ricercatori dovevano capire in che modo questo nuovo metodo di unione influiva sulla corrosione all'interfaccia tra i due metalli:in un caso, un legame di attrito e stiramento tra magnesio e acciaio, che è un legame cruciale per la produzione di veicoli leggeri.

"Quando abbiamo utilizzato la tecnica dell'attrito e dello scriba per i giunti, abbiamo osservato un tasso di corrosione leggermente inferiore", ha affermato Joshi. "Il calo dei tassi di corrosione può essere attribuito alla comparsa di specifici percorsi ad alta resistenza all'interfaccia durante la lavorazione. Questi percorsi hanno portato a una riduzione del tasso di corrosione del magnesio."

"Stiamo usando la nostra nuova tecnica a destra e a sinistra adesso", ha aggiunto. "Se comprendi molto bene queste interfacce per la corrosione, puoi iniziare a progettare in modo accurato, anziché sovraprogettare o sottoprogettare un componente."