Det som påverkar nästan allt av metall, från bilar till båtar till underjordiska rör och till och med fyllningarna i dina tänder? Korrosion - en långsam process av förfall. Till en global kostnad av biljoner dollar årligen, den har en brant prislapp, för att inte tala om, den potentiella säkerheten, miljö- och hälsorisker den utgör.

"Korrosion har varit ett stort problem under mycket lång tid, ", sa UC Santa Barbara kemiteknikprofessor Jacob Israelachvili. Särskilt i trånga utrymmen - tunna mellanrum mellan maskindelar, kontaktytan mellan hårdvara och metallplatta, bakom tätningar och under packningar, sömmar där två ytor möts — noggrann observation av sådan elektrokemisk upplösning hade varit en enorm utmaning, han lade till.

Inte längre.

Med hjälp av en enhet som kallas Surface Forces Apparatus (SFA) utvecklad av Israelachvili, han och hans forskargrupp undersökte processen med spalt- och gropkorrosion och kunde i realtid se korrosionsprocessen på begränsade ytor. Genomförd med doktoranden Howard Dobbs och projektforskaren Kai Kristiansen från UCSB, och kollegor vid Max-Planck-Institut für Eisenforschung i Düsseldorf, studien publiceras i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Med SFA, vi kan noggrant bestämma tjockleken på vår metallfilm av intresse och följa utvecklingen över tiden när korrosion fortskrider, " sa Kristiansen. Forskarnas upplägg gjorde det också möjligt för dem att ha kontroll över saltsammansättningen i lösningen, och temperatur, samt nickelytans elektriska potential.

Spalt- och gropkorrosion är inte den typ av utbredd ytrostning du kan se på skroven på gamla fartyg som exponeras för havet. Dessa är istället intensiva, lokaliserade attacker, där synligt förfall kan se bedrägligt ringa ut. Faktiskt, saker och ting ser bra ut tills de misslyckas katastrofalt:maskiner går sönder, broar spänne, Sjöfartsmotorer fungerar inte, tandfyllningar faller ut.

För detta experiment studerade forskarna en nickelfilm mot en glimmeryta. De fokuserade på initieringen av korrosion - den punkt där metallytan börjar lösas upp. De observerade att nedbrytningen av materialet inte skedde på ett homogent sätt. Snarare, vissa områden – platser där det sannolikt förekom mikroskala sprickor och andra ytdefekter – skulle uppleva intensiv lokal korrosion vilket resulterade i att det plötsligt uppstod gropar.

"Det är väldigt anisotropt, "Israelachvili sa, förklarar att även inom springorna, olika saker händer nära öppningen jämfört med djupt inne i springan. "Eftersom du har diffusion som inträffar, det påverkar hastigheten med vilken metallen löser sig både in och ut ur springan. Det är en mycket komplex process."

"Det första steget i korrosionsprocessen är vanligtvis mycket viktigt, eftersom det talar om för dig att alla skyddande ytskikt har brutits ner och att det underliggande materialet är exponerat för lösningen, sa Dobbs. Därifrån, enligt forskarna, korrosionen sprider sig från groparna och gör det ofta snabbt, eftersom det underliggande materialet inte är lika resistent mot den frätande vätskan.

"En av de viktigaste aspekterna av vårt fynd är betydelsen av den elektriska potentialskillnaden mellan filmen av intresse och den motstående ytan för att initiera korrosion, " tillade Kristiansen. När den elektriska potentialskillnaden når ett visst kritiskt värde, desto mer sannolikt kommer korrosion att börja och desto snabbare sprids den. I detta fall, nickelfilmen upplevde korrosion medan den mer kemiskt inerta glimmern förblev hel.

"Vi har sett denna intressanta effekt tidigare med andra metall- och icke-metallmaterial, " sa Dobbs. "Vi har några pusselbitar, men vi försöker fortfarande reda ut hela mekanismen för detta fenomen."

Denna forskning om realtid, Korrosionsmekanismer i mikro- och nanoskala ger värdefull information som forskarna kan bygga på, vilket kan leda till modeller och förutsägelser om hur och när material i trånga utrymmen sannolikt kommer att korrodera.

"I grund och botten handlar det om att förlänga livslängden för metaller och enheter, " sa Israelachvili. Speciellt nuförtiden där enheter kan vara väldigt små, och du kan till och med stoppa in dem i kroppen, han lade till, Att förstå hur man korrekt skyddar korrosionsbenägna ytor kommer att minska behovet av att byta ut dem på grund av skador.

Omvänt, att förstå hur man kan påskynda upplösningen där det skulle vara lämpligt skulle också vara fördelaktigt, som med otraditionella (t.ex. aluminiumsilika) cement som producerar mindre koldioxid.

"Ett viktigt steg i cementbildningen är upplösningen av cementens huvudingredienser, kiseldioxid och aluminiumoxid, som är mycket långsam och kräver mycket frätande förhållanden som är osäkra för användning i storskalig produktion, " sa Dobbs. "Att förbättra upplösningshastigheten samtidigt som man undviker behovet av osäkra, kaustiklösningar skulle avlägsna en teknisk barriär vid implementeringen av otraditionella cement."