När vattenånga möter metall kan den resulterande korrosionen leda till mekaniska problem som skadar en maskins prestanda. Genom en process som kallas passivering kan den också bilda ett tunt inert skikt som fungerar som en barriär mot ytterligare försämring.
Hur som helst är den exakta kemiska reaktionen inte väl förstådd på atomär nivå, men det förändras tack vare en teknik som kallas miljötransmissionselektronmikroskopi (TEM), som gör det möjligt för forskare att direkt se molekyler som interagerar i minsta möjliga skala.
Professor Guangwen Zhou – en fakultetsmedlem vid Binghamton Universitys Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science – har undersökt hemligheterna bakom atomreaktioner sedan han började på Institutionen för maskinteknik 2007. Tillsammans med medarbetare från University of Pittsburgh och Brookhaven National Laboratory, han har studerat de strukturella och funktionella egenskaperna hos metaller och processen att tillverka "grönt" stål.
Deras senaste forskning, "Atomistic mechanisms of water vapour induced surface passivation," publicerades i november i tidskriften Science Advances .
I tidningen introducerade Zhou och hans team vattenånga för att rengöra aluminiumprover och observerade ytreaktionerna.
"Det här fenomenet är välkänt eftersom det händer i våra dagliga liv", sa han. "Men hur reagerar vattenmolekyler med aluminium för att bilda detta passiveringsskikt? Om du tittar på [forsknings]litteraturen finns det inte mycket arbete om hur detta händer i atomär skala. Om vi vill använda det för gott måste vi veta för då kommer vi att ha något sätt att kontrollera det."
De upptäckte något som aldrig tidigare observerats:Förutom aluminiumhydroxidskiktet som bildades på ytan utvecklades ett andra amorft skikt under det, vilket indikerar att det finns en transportmekanism som diffunderar syre in i substratet.
"De flesta korrosionsstudier fokuserar på tillväxten av passiveringsskiktet och hur det saktar ner korrosionsprocessen," sa Zhou. "För att se det från en atomär skala, känner vi att vi kan överbrygga kunskapsklyftan."
Kostnaden för att reparera korrosion över hela världen uppskattas till 2,5 biljoner dollar per år, vilket är mer än 3 % av den globala BNP – så att utveckla bättre sätt att hantera oxidation skulle vara en ekonomisk välsignelse.
Att förstå hur en vattenmolekyls väte- och syreatomer bryts isär för att interagera med metaller kan dessutom leda till ren energilösning, vilket är anledningen till att det amerikanska energidepartementet finansierade denna forskning och Zhous liknande projekt tidigare.
"Om du bryter vatten till syre och väte när du kombinerar det, är det bara vatten igen," sa han. "Den har inte förorening av fossila bränslen, och den producerar inte koldioxid."
På grund av implikationerna för ren energi har DOE regelbundet förnyat Zhous anslagsfinansiering under de senaste 15 åren.
"Jag uppskattar mycket det långsiktiga stödet för denna forskning," sa Zhou. "Det är en mycket viktig fråga för energienheter eller energisystem eftersom du har många metallegeringar som används som strukturmaterial."
Mer information: Xiaobo Chen et al, Atomistiska mekanismer för vattenångsinducerad ytpassivering, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adh5565
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av Binghamton University
