Quando subisci una caduta, una collisione sul campo o qualche altro colpo traumatico, la prima cosa che farà il dottore sarà fare una radiografia, TAC o risonanza magnetica per determinare se qualcosa è stato danneggiato internamente. I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) utilizzano lo stesso principio, ma in una forma più potente, per rilevare la corrosione, il pericolo principale che minaccia la salute della struttura in acciaio all'interno dei ponti della nazione, strade e altre infrastrutture fisiche obsolete.

Quello che hanno sviluppato è una tecnica di "impronta spettrale" non invasiva che rivela la corrosione dell'acciaio rivestito di cemento prima che possa causare un degrado significativo della struttura che supporta. Il metodo di rilevamento è descritto in un nuovo articolo sulla rivista Risonanza Magnetica Applicata .

Quando l'acqua e l'ossigeno corrodono il ferro, vengono prodotti diversi prodotti di ossido di ferro, con i due più comuni che sono goethite ed ematite. "La ruggine marrone che si forma quando lasci un martello sotto la pioggia è per lo più goethite, e quando una barra di rinforzo in acciaio [rebar] si corrode all'interno di un impalcato di cemento, che è principalmente ematite, " ha detto il chimico fisico del NIST Dave Plusquellic. "Abbiamo dimostrato nel nostro nuovo studio con goethite, e il nostro precedente lavoro con l'ematite, che le radiazioni terahertz, onde elettromagnetiche con frequenze da 10 a 100 volte superiori alle microonde utilizzate per cucinare il cibo, possono rilevare entrambi i prodotti di corrosione nelle prime fasi della formazione".

Gli attuali metodi di imaging per scoprire la corrosione utilizzano le microonde per registrare i cambiamenti nello stato fisico dell'acciaio interessato, come cambiamenti nello spessore di un'armatura all'interno del calcestruzzo di un ponte o altra struttura.

"Sfortunatamente, nel momento in cui tali cambiamenti sono rilevabili, il processo corrosivo è già sulla buona strada per provocare crepe nel calcestruzzo, " ha detto il fisico e membro del NIST Ed Garboczi.

Inoltre, Garboczi ha affermato che la maggior parte dei metodi di imaging a microonde si basano su confronti con misurazioni di base dell'acciaio prese al momento della costruzione, una pratica che risale solo a circa 25 anni.

"Questo è un vero problema visto l'età media dei 400, 000 ponti in cemento armato negli Stati Uniti sono 50 anni e non sono disponibili dati di riferimento per molti di essi, " Lui ha spiegato.

Il metodo di rilevamento delle onde terahertz del NIST funziona perché la goethite e l'ematite sono antiferromagnetiche. In altre parole, le coppie di elettroni che siedono fianco a fianco all'interno degli atomi di ferro in questi materiali ruotano in direzioni opposte, lasciandoli inalterati dai campi magnetici esterni. In contrasto, gli elettroni negli atomi di ferro di un magnete domestico, che è ferromagnetico, ruotano nella stessa direzione e sono attratti o respinti da campi magnetici esterni.

"Le onde terahertz capovolgeranno l'allineamento di spin di uno degli elettroni in una coppia e verranno assorbite dall'ematite o dalla goethite, " ha detto Plusquellic. "Usando un rilevatore di onde millimetriche, abbiamo scoperto che questo assorbimento antiferromagnetico si verifica solo all'interno di gamme di frequenza ristrette nella regione dei terahertz dello spettro elettromagnetico, producendo "impronte digitali" uniche per goethite ed ematite, e a sua volta, corrosione del ferro."

Con gli attuali progressi nelle sorgenti e nei rilevatori terahertz, la nuova tecnica di valutazione non distruttiva del NIST ha il potenziale per rilevare rapidamente piccole quantità di ossidi di ferro dalla corrosione in fase iniziale dell'acciaio circondato da calcestruzzo, compositi polimerici (come l'isolamento dei tubi in una fabbrica), vernici e altri materiali protettivi.

"In laboratorio, abbiamo dimostrato che una sorgente terahertz da 2 milliwatt può produrre onde che rilevano l'ematite attraverso 25 millimetri di cemento, " Plusquellic ha detto. "Utilizzando sorgenti terahertz con potenze nell'ordine di centinaia di milliwatt e ricevitori all'avanguardia con rapporti segnale-rumore senza precedenti, dovremmo essere in grado di penetrare 50 millimetri, lo spessore del calcestruzzo che ricopre il primo strato di armatura utilizzato nella maggior parte delle strutture in cemento armato."

Il prossimo passo per il team del NIST sarà un tentativo di trovare un'impronta digitale spettrale per l'akageneite, un prodotto di corrosione del ferro formato in presenza di ioni cloruro, che provengono da fonti come l'acqua di mare e il sale antigelo stradale.

"L'akageneite può causare problemi nel cemento armato simili a quelli visti con goethite ed ematite, " Disse Garbozzi.

Il metodo di rilevamento della corrosione antiferromagnetica è stato concepito per la prima volta nel 2009 dal compianto William Egelhoff, membro del NIST e pioniere nel campo dei materiali magnetici.