Ogni anno, gli effetti della corrosione dei materiali sottraggono più di 1 trilione di dollari all'economia globale. Poiché alcune leghe sono esposte a sollecitazioni e temperature estreme, inizia a formarsi un film di ossido, provocando la rottura ancora più rapida delle leghe. Ciò che rende esattamente questi ad alta temperatura, condizioni di forte stress così favorevoli alla corrosione, però, rimane poco compreso, soprattutto nei dispositivi microelettromeccanici. Nel Rivista di fisica applicata , I ricercatori cinesi hanno iniziato a capire perché questi materiali si corrodono sotto stress meccanico.

Xue Feng, un professore all'Università Tsinghua, e il suo team di ricerca descrivono come lo stress meccanico può influenzare il processo di ossidazione. Il loro modello si basa sulla cinetica di ossidazione per spiegare come lo stress influenzi le specie di ossidazione che si diffondono attraverso lo strato di ossido, e come lo stress modifica le reazioni chimiche alle interfacce e porta all'ossidazione.

"Il nostro lavoro è nella direzione della ricerca fondamentale, ma in effetti si basa su problemi di ingegneria, " Feng ha detto. "Ci aspettiamo che fornisca linee guida per previsioni più accurate nelle applicazioni di ingegneria, compresi progetti migliori per compensare il guasto del materiale e del sistema tenendo conto del processo di ossidazione."

Per decenni, la ricerca sull'accoppiamento chemiomeccanico tra stress fisico e ossidazione si è concentrata sulla relazione tra lo stress e una delle due diverse caratteristiche della corrosione delle leghe. Nello specifico, lo stress tende ad accelerare l'ossidazione che si verifica sulla superficie del materiale all'interfaccia tra il dispositivo e l'ossigeno dell'aria circostante. Lo stress cambia anche i modi in cui i composti ossidativi si diffondono attraverso la struttura su scala nanometrica di un materiale.

Il lavoro di questo gruppo combina lo stress e il processo di ossidazione in un nuovo modello. Primo, un substrato, tipicamente la lega corrosiva, assorbe ossigeno e forma uno strato di ossido metallico. Più ossigeno può diffondere attraverso questo strato, che può reagire con il successivo strato di lega dietro l'interfaccia di ossidazione.

"Il nostro lavoro qui riguarda principalmente la seconda e la terza fase, in cui lo stress, o carico meccanico applicato esternamente o stress generato intrinsecamente a causa della stessa formazione di ossido, potrebbe influenzare la diffusione e il processo di reazione chimica, " disse Mengkun Yue, un altro autore dell'articolo della Tsinghua University.

Il modello del team ha previsto che quando i materiali sottoposti a carichi pesanti vengono compressi, assorbono meno ossigeno. Di conseguenza, le sollecitazioni che separano il materiale forniscono più spazio all'ossigeno per infiltrarsi nella lega.

Il gruppo ha testato questa struttura su campioni di SiO2 cresciuti su un substrato di Si utilizzando l'interferometria multifascio, un metodo che altri ricercatori avevano precedentemente dimostrato, e hanno scoperto che le loro previsioni teoriche corrispondevano ai dati.

Xufei Fang, un autore dell'articolo presso il Max Planck Institute for Iron Research, ha detto che spera che la verifica di un modello unificato per l'accoppiamento stress-ossidazione possa aiutare a migliorare i dispositivi microelettromeccanici. Ad alte temperature o sotto stress, questi dispositivi possono subire un'ossidazione notevolmente maggiore a causa del loro ampio rapporto superficie-volume.

"Ci aspettiamo un'applicazione più generale del nostro modello e svilupperemo ulteriormente il nostro modello, nei prossimi passi, applicarli a sistemi a microscala, " ha detto Fang.