När du faller, en kollision på fältet eller något annat traumatiskt slag, det första läkaren kommer att göra är att ta en röntgen, CT-skanning eller MRI för att avgöra om något har skadats internt. Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) använder samma princip, men i en mer kraftfull form, för att upptäcka korrosion, den primära faran som hotar hälsan hos stålramverket inom landets broar, vägar och annan åldrande fysisk infrastruktur.

Vad de har utvecklat är en icke-invasiv teknik med "spektrala fingeravtryck" som avslöjar korrosion av betongomslutet stål innan det kan orsaka någon betydande försämring av strukturen den stöder. Detektionsmetoden beskrivs i en ny artikel i tidskriften Tillämpad magnetisk resonans .

När vatten och syre korroderar järn, olika järnoxidprodukter produceras, där de två vanligaste är goetit och hematit. "Den bruna rosten som bildas när du lämnar en hammare ute i regnet är mestadels goethit, och när en armeringsstång av stål korroderar inuti ett brodäck av betong, det är mest hematit, " sa NIST fysikalisk kemist Dave Plusquellic. "Vi har visat i vår nya studie med goethite, och vårt tidigare arbete med hematit, att terahertzstrålning - elektromagnetiska vågor med frekvenser 10 till 100 gånger högre än de mikrovågor som används för att laga mat - kan upptäcka båda korrosionsprodukterna i de tidiga stadierna av bildningen."

Nuvarande avbildningsmetoder för att avslöja korrosion använder mikrovågor för att registrera förändringar i det fysiska tillståndet hos det påverkade stålet, såsom förändringar i tjockleken på ett armeringsjärn i betongen på en bro eller annan struktur.

"Tyvärr, när sådana förändringar kan upptäckas, den korrosiva processen är redan på god väg mot att orsaka sprickor i betongen, " sa fysiker och NIST-stipendiat Ed Garboczi.

Dessutom, Garboczi sa att de flesta av mikrovågsavbildningsmetoderna är beroende av jämförelser med baslinjemätningar av stålet som tagits vid konstruktionstillfället, en praxis som bara går tillbaka cirka 25 år.

"Det är ett verkligt problem eftersom medelåldern på 400, 000 stålarmerade betongbroar i USA är 50 år och det finns inga basdata tillgängliga för många av dem, " han förklarade.

NIST terahertz-vågsdetekteringsmetoden fungerar eftersom goethit och hematit är antiferromagnetiska. Med andra ord, elektronparen som sitter sida vid sida i järnatomerna i dessa material snurrar i motsatta riktningar, lämnar dem opåverkade av externa magnetfält. I kontrast, elektronerna i järnatomerna i en hushållsmagnet, som är ferromagnetisk, snurrar i samma riktning och antingen attraheras eller stöts bort av externa magnetfält.

"Terahertz-vågor kommer att vända spinnjusteringen av en av elektronerna i ett par och absorberas av hematit eller goetit, " sa Plusquellic. "Med en millimetervågdetektor, vi upptäckte att denna antiferromagnetiska absorption endast sker inom smala frekvensområden i terahertzområdet i det elektromagnetiska spektrumet – vilket ger "spektrala fingeravtryck" som är unika för goetit och hematit, och i sin tur, järnkorrosion."

Med nuvarande framsteg inom terahertzkällor och detektorer, den nya oförstörande utvärderingstekniken NIST har potential att snabbt upptäcka små mängder järnhaltiga oxider från korrosion i ett tidigt skede av stål omgivet av betong, polymerkompositer (som rörisolering i en fabrik), färger och andra skyddsmaterial.

"I laboratoriet, vi har visat att en 2-milliwatt terahertzkälla kan producera vågor som detekterar hematit genom 25 millimeter betong, ", sa Plusquellic. "Använder terahertzkällor med effekter på hundratals milliwatt och toppmoderna mottagare med oöverträffade signal-brus-förhållanden, vi borde kunna penetrera 50 millimeter, tjockleken på betongen som täcker det första lagret av armeringsjärn som används i de flesta stålarmerade betongkonstruktioner."

Nästa steg för NIST-teamet kommer att vara ett försök att hitta ett spektralt fingeravtryck för akageneit, en korrosionsprodukt av järn som bildas i närvaro av kloridjoner, som kommer från källor som havsvatten och vägavisningssalt.

"Akageneit kan orsaka problem i stålarmerad betong liknande de som ses med goetit och hematit, " sa Garboczi.

Metoden för detektering av antiferromagnetisk korrosion skapades först 2009 av den sena William Egelhoff, en NIST-stipendiat och pionjär inom området magnetiska material.