Erforschung der molekularen Geheimnisse des Metallabbaus: Eine bahnbrechende Perspektive auf Korrosion

von Hiroshi Tanaka
5 Kommentare
metal corrosion research

In einem bedeutenden wissenschaftlichen Durchbruch verwendeten Forscher die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) der Umgebung, um die molekularen Feinheiten der Wechselwirkung von Metall mit Wasserdampf zu untersuchen. Diese Wechselwirkung führt entweder zu Korrosion oder Passivierung, was weitreichende Auswirkungen auf die Verbesserung des Korrosionsschutzes und die Weiterentwicklung sauberer Energietechnologien hat und erhebliche wirtschaftliche und ökologische Vorteile bietet. Quelle: SciTechPost.com

Diese innovative Studie beleuchtet, wie Wasserdampf auf molekularer Ebene Metalle beeinflusst, ein entscheidender Faktor bei der Bewältigung von Korrosion und der Förderung der Entwicklung sauberer Energie.

Korrosion entsteht, wenn Metall mit Wasserdampf in Kontakt kommt und mechanische Probleme verursacht, die die Effizienz von Maschinen beeinträchtigen. Alternativ kann diese Wechselwirkung zu einer Passivierung führen, bei der sich eine dünne, inerte Schicht bildet, die einen Schutz vor weiteren Schäden bietet.

Obwohl die genauen chemischen Prozesse auf atomarer Ebene bisher unklar waren, werden sie dank Umwelt-TEM nun besser verständlich. Diese Methode ermöglicht es Wissenschaftlern, molekulare Wechselwirkungen auf kleinsten Skalen zu beobachten.

Innovative Studien zu Reaktionen auf atomarer Ebene

Seit seiner Berufung an das Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science der Binghamton University im Jahr 2007 untersucht Professor Guangwen Zhou, Mitglied der Abteilung für Maschinenbau, die Mechanismen von Reaktionen auf atomarer Ebene. In Zusammenarbeit mit Teams der University of Pittsburgh und des Brookhaven National Laboratory hat Zhou die strukturellen und funktionellen Eigenschaften von Metallen sowie die Produktion von umweltfreundlichem Stahl erforscht.

Ihre jüngste Studie mit dem Titel „Atomistische Mechanismen der wasserdampfinduzierten Oberflächenpassivierung“, veröffentlicht in Science Advances, enthält Beiträge der Binghamton-Doktoranden Xiaobo Chen, Dongxiang Wu, Chaoran Li, Shuonan Ye und Shyam Bharatkumar Patel, MS '21; Na Cai, PhD '12; Zhao Liu, PhD '20; Weitao Shan, MS '16, und Guofeng Wang von der University of Pittsburgh; zusammen mit Sooyeon Hwang, Dmitri N. Zakharov und Jorge Anibal Boscoboinik vom Brookhaven National Laboratory.

Die Studie umfasste ein Transmissionselektronenmikroskopbild einer oxidierten Aluminiumoberfläche und zeigte, dass der in Wasserdampf gebildete passivierende Oxidfilm aus einer inneren amorphen Aluminiumoxidschicht und einer äußeren kristallinen Aluminiumhydroxidschicht besteht. Quelle: Zur Verfügung gestellt

Bei ihrer Forschung führten Zhou und sein Team Wasserdampf in unberührte Aluminiumproben ein und überwachten die Oberflächenreaktionen.

„Das ist ein bekanntes Phänomen in unserem Alltag“, bemerkte Zhou. „Die Einzelheiten darüber, wie Wassermoleküle mit Aluminium interagieren, um diese Passivierungsschicht zu erzeugen, sind in der wissenschaftlichen Literatur jedoch nicht ausführlich dokumentiert, insbesondere auf atomarer Ebene.“ Dies zu verstehen ist von entscheidender Bedeutung, wenn wir es effektiv nutzen wollen, da es uns die Kontrolle über den Prozess ermöglichen würde.“

Sie entdeckten ein bisher unbekanntes Phänomen: Neben der Bildung einer Aluminiumhydroxid-Oberflächenschicht bildete sich darunter eine zusätzliche amorphe Schicht, was auf einen Mechanismus schließen lässt, der die Diffusion von Sauerstoff in das Grundmaterial ermöglicht.

„Die meisten Korrosionsstudien haben sich auf die Entwicklung der Passivierungsschicht und ihre Rolle bei der Verlangsamung der Korrosion konzentriert“, bemerkte Zhou. „Durch die Untersuchung dieser Prozesse auf atomarer Ebene glauben wir, dass wir die Lücken in unserem Verständnis schließen können.“

Guangwen Zhou ist Professor in der Abteilung für Maschinenbau am Watson College of Engineering and Applied Science. Quelle: Jonathan Cohen

Wirtschaftliche und ökologische Auswirkungen der Korrosionsforschung

Weltweit werden die Kosten für Korrosionsreparaturen auf 1,5 Billionen Tonnen pro Jahr geschätzt, was über 31,4 Milliarden Tonnen des weltweiten BIP ausmacht. Daher könnten bessere Oxidationsmanagementmethoden erhebliche wirtschaftliche Vorteile bieten.

Darüber hinaus könnte das Verständnis des Zerfalls von Wassermolekülen in Wasserstoff- und Sauerstoffatome und ihrer Wechselwirkung mit Metallen den Weg für Innovationen im Bereich saubere Energie ebnen. Dieses Potenzial hat das US-Energieministerium dazu veranlasst, diese Forschung und die damit verbundenen Projekte von Zhou in der Vergangenheit zu finanzieren.

„Die Aufspaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff und deren anschließende Rekombination führt zu reinem Wasser“, erklärte Zhou. „Dieser Prozess vermeidet die Schadstoffe fossiler Brennstoffe und stößt kein Kohlendioxid aus.“

Das DOE hat die Finanzierung von Zhous Forschung in den letzten 15 Jahren immer wieder erneuert und erkennt deren Bedeutung für Energiegeräte und -systeme an, bei denen häufig Metalllegierungen als Strukturmaterialien zum Einsatz kommen.

„Ich bin zutiefst dankbar für die nachhaltige Unterstützung dieser Forschung“, sagte Zhou. „Es befasst sich mit einem kritischen Thema im Energiebereich.“

Referenz: „Atomistische Mechanismen der wasserdampfinduzierten Oberflächenpassivierung“ von Xiaobo Chen, Weitao Shan, Dongxiang Wu, Shyam Bharatkumar Patel, Na Cai, Chaoran Li, Shuonan Ye, Zhao Liu, Sooyeon Hwang, Dmitri N. Zakharov, Jorge Anibal Boscoboinik , Guofeng Wang und Guangwen Zhou, 1. November 2023, Wissenschaftliche Fortschritte.
DOI: 10.1126/sciadv.adh5565

Häufig gestellte Fragen (FAQs) zur Metallkorrosionsforschung

Was ist der Schwerpunkt der aktuellen wissenschaftlichen Studie zu Metall und Wasserdampf?

Die Studie untersucht vor allem, wie Wasserdampf auf molekularer Ebene mit Metallen interagiert, wobei der Schwerpunkt auf den Prozessen der Korrosion und Passivierung liegt. Diese Forschung ist von entscheidender Bedeutung für die Verbesserung des Korrosionsmanagements und die Weiterentwicklung sauberer Energielösungen.

Wie wirkt sich Wasserdampf auf Metalle aus und was sind die Ergebnisse der Studie?

Wenn Wasserdampf mit Metallen in Kontakt kommt, kann es zu Korrosion und damit zu mechanischen Problemen kommen. Alternativ kann es zu einer Passivierung kommen, die eine Schutzschicht gegen weitere Schäden bildet. Die Studie nutzte Umgebungs-TEM, um diese Wechselwirkungen auf atomarer Ebene zu beobachten und neue Details über die Bildung dieser Schichten zu enthüllen.

Wer hat diese Forschung durchgeführt und welche Methodik wurde verwendet?

Die Forschung wurde von Professor Guangwen Zhou und seinem Team von der Binghamton University in Zusammenarbeit mit der University of Pittsburgh und dem Brookhaven National Laboratory durchgeführt. Sie nutzten die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) der Umwelt, um die molekularen Wechselwirkungen auf Metallen direkt zu beobachten.

Welche möglichen wirtschaftlichen und ökologischen Auswirkungen hat diese Forschung?

Ein besseres Verständnis und eine bessere Bewältigung der Metallkorrosion könnten weltweit Kosten einsparen, wenn man bedenkt, dass die Korrosionsreparatur auf $2,5 Billionen pro Jahr geschätzt wird. Darüber hinaus könnten Erkenntnisse aus dieser Forschung dazu beitragen, saubere Energielösungen zu entwickeln, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern und die CO2-Emissionen zu senken.

Welche weiteren Auswirkungen hat diese Studie auf die Entwicklung sauberer Energie?

Die Erkenntnisse der Studie darüber, wie Wassermoleküle auseinanderbrechen und mit Metallen interagieren, könnten den Weg für Innovationen im Bereich sauberer Energie ebnen. Das Verständnis dieser Wechselwirkungen auf atomarer Ebene ist entscheidend für die Entwicklung effizienterer und umweltfreundlicherer Energiesysteme und Materialien.

Mehr zur Metallkorrosionsforschung

Sie können auch mögen

5 Kommentare

Mike Johnson Dezember 20, 2023 - 2:35 am

Wirklich faszinierendes Zeug! Aber ich denke, hinter der Geschichte steckt etwas mehr als nur der wissenschaftliche Aspekt. Was ist mit den Anwendungen in der realen Welt?

Antwort
Gregor B. Dezember 20, 2023 - 4:56 am

Insgesamt ein toller Artikel, aber einige Links oder Referenzen wären hilfreich gewesen, um tiefer in das Thema einzutauchen.

Antwort
Linda Smith Dezember 20, 2023 - 2:45 pm

Interessante Lektüre, aber es gab einige Teile, die etwas schwer zu verstehen waren. Vielleicht vereinfachen Sie beim nächsten Mal den Fachjargon?

Antwort
Sara K. Dezember 20, 2023 - 5:02 pm

Wow, ich hätte nie gedacht, dass Metallkorrosion so interessant sein kann. Dieser Artikel eröffnet eine völlig neue Perspektive, insbesondere im Hinblick auf saubere Energie.

Antwort
David T Dezember 20, 2023 - 6:29 pm

Ich muss sagen, die wirtschaftlichen Auswirkungen sind enorm, 2,5 Billionen! Das ist eine Menge Geld, ich hätte zu diesem Teil mehr Details vertragen können.

Antwort

Hinterlasse einen Kommentar

* Durch die Nutzung dieses Formulars erklären Sie sich mit der Speicherung und Verarbeitung Ihrer Daten durch diese Website einverstanden.

SciTechPost ist eine Webressource, die sich der Bereitstellung aktueller Informationen über die schnelllebige Welt der Wissenschaft und Technologie widmet. Unsere Mission ist es, Wissenschaft und Technologie über unsere Plattform für jedermann zugänglich zu machen, indem wir Experten, Innovatoren und Akademiker zusammenbringen, um ihr Wissen und ihre Erfahrungen auszutauschen.

Abonnieren

Abonnieren Sie meinen Newsletter für neue Blogbeiträge, Tipps und neue Fotos. Bleiben wir auf dem Laufenden!

© 2023 SciTechPost

de_DEDeutsch