Quando il vapore acqueo incontra il metallo, la corrosione che ne deriva può portare a problemi meccanici che compromettono le prestazioni della macchina. Attraverso un processo chiamato passivazione, può anche formare un sottile strato inerte che funge da barriera contro un ulteriore deterioramento.
In ogni caso, l'esatta reazione chimica non è ben compresa a livello atomico, ma la situazione sta cambiando grazie a una tecnica chiamata microscopia elettronica a trasmissione ambientale (TEM), che consente ai ricercatori di visualizzare direttamente le molecole che interagiscono sulla scala più piccola possibile.
Il professor Guangwen Zhou, membro della facoltà del Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science dell'Università di Binghamton, ha indagato i segreti delle reazioni atomiche da quando è entrato a far parte del Dipartimento di ingegneria meccanica nel 2007. Insieme ai collaboratori dell'Università di Pittsburgh e del Brookhaven Laboratorio Nazionale, ha studiato le proprietà strutturali e funzionali dei metalli e il processo di produzione dell'acciaio "verde".
La loro ultima ricerca, "Meccanismi atomistici di passivazione superficiale indotta dal vapore acqueo", è stata pubblicata a novembre sulla rivista Science Advances .
Nell'articolo, Zhou e il suo team hanno introdotto vapore acqueo per pulire i campioni di alluminio e hanno osservato le reazioni superficiali.
"Questo fenomeno è ben noto perché accade nella nostra vita quotidiana", ha detto. "Ma come reagiscono le molecole d'acqua con l'alluminio per formare questo strato di passivazione? Se si guarda la letteratura [di ricerca], non c'è molto lavoro su come ciò avvenga su scala atomica. Se vogliamo usarlo per sempre, dobbiamo sapere perché allora avremo un modo per controllarlo."
Hanno scoperto qualcosa che non era mai stato osservato prima:oltre allo strato di idrossido di alluminio che si è formato sulla superficie, sotto di esso si è sviluppato un secondo strato amorfo, il che indica che esiste un meccanismo di trasporto che diffonde l'ossigeno nel substrato.
"La maggior parte degli studi sulla corrosione si concentrano sulla crescita dello strato di passivazione e su come questo rallenta il processo di corrosione", ha affermato Zhou. "Guardando la cosa su scala atomica, riteniamo di poter colmare il divario di conoscenze."
Il costo di riparazione della corrosione in tutto il mondo è stimato a 2,5 trilioni di dollari all'anno, ovvero oltre il 3% del PIL globale, quindi sviluppare modi migliori per gestire l'ossidazione sarebbe un vantaggio economico.
Inoltre, comprendere come gli atomi di idrogeno e ossigeno di una molecola d'acqua si rompono per interagire con i metalli potrebbe portare a soluzioni di energia pulita, motivo per cui il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha finanziato questa ricerca e progetti simili di Zhou in passato.
"Se scomponi l'acqua in ossigeno e idrogeno quando la ricombini, è di nuovo solo acqua", ha detto. "Non presenta la contaminazione dei combustibili fossili e non produce anidride carbonica."
A causa delle implicazioni sull'energia pulita, il DOE ha regolarmente rinnovato i finanziamenti delle sovvenzioni di Zhou negli ultimi 15 anni.
"Apprezzo molto il sostegno a lungo termine per questa ricerca", ha detto Zhou. "È una questione molto importante per i dispositivi o i sistemi energetici perché ci sono molte leghe metalliche che vengono utilizzate come materiale strutturale."
Ulteriori informazioni: Xiaobo Chen et al, Meccanismi atomistici di passivazione superficiale indotta dal vapore acqueo, Progressi scientifici (2023). DOI:10.1126/sciadv.adh5565
Informazioni sul giornale: La scienza avanza
Fornito dall'Università di Binghamton
