Den breda räckvidden av korrosion, ett globalt problem på flera miljarder dollar, kan någon gång minskas avsevärt tack vare en ny, bättre metod för att förutsäga hur metaller reagerar med vatten.

Forskare vid Oregon State University och University of California, Berkeley, har utvecklat en ny beräkningsmetod som kombinerar två tekniker för att göra förutsägelser snabbare, mindre kostsamt och mer effektivt.

Resultaten, publiceras i Naturkommunikation , kan ha ett brett spektrum av tillämpningar, inklusive vid konstruktion av broar och flygmotorer, båda är känsliga för korrosion.

Varje metall utom ädelmetaller som guld och silver reagerar med vatten, sa Doug Keszler, framstående professor i kemi vid Oregon State College of Science.

"Vi skulle vilja förutsäga de specifika reaktionerna av metaller och kombinationer av metaller med vatten och vilka produkterna av dessa reaktioner är, genom beräkningsmetoder först i motsats till att bestämma dem experimentellt, sa Keszler, som också fungerar som chef för Center for Sustainable Materials Chemistry vid OSU.

Traditionellt, Keszler noterade, när man tittar på metaller lösta i vatten, det kemiska antagandet har varit att en metall löses upp och bildar ett enkelt salt. Det är inte alltid det händer, dock.

"I många fall, det löses till en början och bildar ett komplext kluster som innehåller många metallatomer, " sa han. "Vi kan nu förutsäga vilka typer av kluster som finns i lösning, främjar därför förståelsen av metallupplösning ur en beräkningssynpunkt."

Studerar vattenhaltiga metalloxid- och hydroxidkluster från element i grupp 13 - aluminium, gallium, indium och tallium - forskare kopplade kvantmekaniska beräkningar med en "gruppadditivitet"-metod för att skapa Pourbaix-diagram, guldstandarden för att beskriva lösta metallarter i vatten.

"Genom att tillämpa detta nya tillvägagångssätt, vi kommer fram till en kvantitativ utvärdering av klusterstabilitet som funktion av pH och koncentration, " sa studiens medförfattare Paul Ha-Yeon Cheong, docent i kemi vid OSU.

Att förstå kluster är avgörande på grund av den roll de spelar i kemiska processer som sträcker sig från biomineralisering till lösningsavsättning av tunna filmer för elektroniktillämpningar. Och att känneteckna korrosion kommer från att kunna avbilda metallers stabila faser i vatten.

"Om du designar ett nytt stål för en bro, till exempel, du vill inkludera potentialen för korrosion i en beräkningsdesignprocess, " sa Keszler. "Eller om du har en ny metall för en flygmotor, du skulle vilja kunna avgöra om det kommer att korrodera."

Dessa exempel är inte bara hypotetiska. Bara förra sommaren, ett japanskt flygbolag var tvungen att renovera alla 100 Rolls-Royce-motorer på sin flotta av Boeing 787 Dreamliners efter en serie motorhaverier orsakade av korrosion och sprickbildning av turbinblad. Motorerna säljs för 20 miljoner dollar styck.

"De flesta Pourbaix-diagram inkluderar inte dessa metallkluster och därför har vår förståelse av metallupplösning och reaktion med vatten saknats, " sa studiens medförfattare Kristin A. Persson, professor i materialvetenskap vid UC Berkeley. "Vi har nu upptäckt en snabb och exakt formalism för att simulera dessa kluster i datorn, som kommer att förändra vår förmåga att förutsäga hur metaller reagerar i vatten."