Explorando los misterios moleculares de la degradación de metales: una perspectiva pionera sobre la corrosión

por Hiroshi Tanaka
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En un importante avance científico, los investigadores emplearon microscopía electrónica de transmisión ambiental (TEM) para profundizar en las complejidades moleculares de la interacción del metal con el vapor de agua. Esta interacción conduce a la corrosión o a la pasivación, lo que tiene implicaciones de gran alcance para mejorar el control de la corrosión y promover tecnologías de energía limpia, ofreciendo importantes ventajas económicas y ambientales. Fuente: SciTechPost.com

Este innovador estudio arroja luz sobre cómo el vapor de agua a nivel molecular influye en los metales, un factor crítico en la gestión de la corrosión y el fomento del desarrollo de energía limpia.

La corrosión ocurre cuando el metal entra en contacto con el vapor de agua, lo que provoca problemas mecánicos que afectan la eficiencia de la maquinaria. Alternativamente, esta interacción puede resultar en una pasivación, donde se forma una capa delgada e inerte, que proporciona un escudo contra daños mayores.

Aunque los procesos químicos precisos a nivel atómico antes no estaban claros, ahora se están volviendo más comprensibles gracias a la TEM ambiental. Este método permite a los científicos observar interacciones moleculares a escalas más pequeñas.

Estudios innovadores en reacciones a nivel atómico

Desde su nombramiento en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas Thomas J. Watson de la Universidad de Binghamton en 2007, el profesor Guangwen Zhou, miembro del Departamento de Ingeniería Mecánica, ha estado investigando los mecanismos de reacciones a nivel atómico. En colaboración con equipos de la Universidad de Pittsburgh y el Laboratorio Nacional Brookhaven, Zhou ha explorado los atributos estructurales y funcionales de los metales y la producción de acero respetuoso con el medio ambiente.

Su estudio más reciente, titulado “Mecanismos atómicos de la pasivación superficial inducida por vapor de agua”, publicado en Science Advances, incluye contribuciones de los estudiantes de doctorado de Binghamton Xiaobo Chen, Dongxiang Wu, Chaoran Li, Shuonan Ye y Shyam Bharatkumar Patel, MS '21; Na Cai, doctorado '12; Zhao Liu, doctorado '20; Weitao Shan, MS '16 y Guofeng Wang de la Universidad de Pittsburgh; junto con Sooyeon Hwang, Dmitri N. Zakharov y Jorge Anibal Boscoboinik del Laboratorio Nacional Brookhaven.

El estudio presentó una imagen de microscopía electrónica de transmisión de una superficie de aluminio oxidado, revelando que la película de óxido pasivante formada en vapor de agua comprende una capa interna de óxido de aluminio amorfo y una capa externa de hidróxido de aluminio cristalino. Fuente: Proporcionado

En su investigación, Zhou y su equipo introdujeron vapor de agua en muestras de aluminio prístino y monitorearon las reacciones de la superficie.

"Este es un fenómeno familiar en nuestra vida cotidiana", comentó Zhou. “Sin embargo, los detalles de cómo las moléculas de agua interactúan con el aluminio para crear esta capa de pasivación no están ampliamente documentados en la literatura científica, especialmente a escala atómica. Comprender esto es crucial si pretendemos utilizarlo de manera efectiva, ya que nos permitiría controlar el proceso”.

Descubrieron un fenómeno nunca antes visto: además de la formación de una capa superficial de hidróxido de aluminio, se desarrolló una capa amorfa adicional debajo, lo que sugiere un mecanismo que permite que el oxígeno se difunda en el material base.

"La mayoría de los estudios sobre la corrosión se han concentrado en el desarrollo de la capa de pasivación y su papel en la desaceleración de la corrosión", señaló Zhou. "Al examinar estos procesos a nivel atómico, creemos que podemos llenar los vacíos en nuestra comprensión".

Guangwen Zhou se desempeña como profesor en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Watson. Fuente: Jonathan Cohen

Repercusiones económicas y ambientales de la investigación sobre la corrosión.

A nivel mundial, los costos de reparación de la corrosión se estiman en $2,5 billones al año, lo que representa más de 3% del PIB mundial. Por lo tanto, mejores métodos de gestión de la oxidación podrían proporcionar importantes beneficios económicos.

Además, comprender la desintegración de las moléculas de agua en átomos de hidrógeno y oxígeno y su interacción con los metales podría allanar el camino para innovaciones en energía limpia. Este potencial ha llevado al Departamento de Energía de EE.UU. a financiar esta investigación y los proyectos relacionados de Zhou en el pasado.

"Separar el agua en oxígeno e hidrógeno y luego recombinarlos da como resultado agua pura", explicó Zhou. "Este proceso evita los contaminantes de los combustibles fósiles y no emite dióxido de carbono".

El DOE ha renovado constantemente los fondos para la investigación de Zhou durante los últimos 15 años, reconociendo su importancia para los dispositivos y sistemas energéticos que frecuentemente emplean aleaciones metálicas como materiales estructurales.

"Estoy profundamente agradecido por el apoyo sostenido de esta investigación", expresó Zhou. "Aborda una cuestión crítica en el campo de la energía".

Referencia: “Mecanismos atómicos de pasivación superficial inducida por vapor de agua” por 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 y Guangwen Zhou, 1 de noviembre de 2023, Science Advances.
DOI: 10.1126/sciadv.adh5565

Preguntas frecuentes (FAQ) sobre la investigación de la corrosión de metales

¿Cuál es el foco principal del reciente estudio científico sobre el metal y el vapor de agua?

El estudio investiga principalmente cómo interactúa el vapor de agua con los metales a nivel molecular, centrándose en los procesos de corrosión y pasivación. Esta investigación es crucial para mejorar la gestión de la corrosión y promover soluciones de energía limpia.

¿Cómo afecta el vapor de agua a los metales y cuáles son los hallazgos del estudio?

Cuando el vapor de agua entra en contacto con los metales, puede provocar corrosión y provocar problemas mecánicos. Alternativamente, puede resultar en una pasivación, formando una capa protectora contra daños mayores. El estudio utilizó TEM ambiental para observar estas interacciones a nivel atómico, revelando nuevos detalles sobre la formación de estas capas.

¿Quién realizó esta investigación y qué metodología se utilizó?

La investigación fue realizada por el profesor Guangwen Zhou y su equipo de la Universidad de Binghamton, en colaboración con la Universidad de Pittsburgh y el Laboratorio Nacional Brookhaven. Utilizaron microscopía electrónica de transmisión ambiental (TEM) para observar directamente las interacciones moleculares en los metales.

¿Cuáles son los posibles impactos económicos y ambientales de esta investigación?

Comprender y gestionar mejor la corrosión del metal podría ahorrar costos a nivel mundial, dado que la reparación de la corrosión se estima en $2,5 billones al año. Además, los conocimientos de esta investigación podrían contribuir al desarrollo de soluciones de energía limpia, reduciendo la dependencia de combustibles fósiles y disminuyendo las emisiones de CO2.

¿Cuáles son las implicaciones más amplias de este estudio para el desarrollo de energía limpia?

Los conocimientos del estudio sobre cómo las moléculas de agua se rompen e interactúan con los metales podrían allanar el camino para innovaciones en energía limpia. Comprender estas interacciones a nivel atómico es crucial para desarrollar sistemas y materiales energéticos más eficientes y respetuosos con el medio ambiente.

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5 comentarios

Mike Johnson diciembre 20, 2023 - 2:35 am

¡Cosas realmente fascinantes! pero creo que hay algo más en la historia que solo el ángulo científico. ¿Qué pasa con las aplicaciones del mundo real?

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Greg B. diciembre 20, 2023 - 4:56 am

Gran artículo en general, pero algunos enlaces o referencias hubieran sido útiles para profundizar en el tema.

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Linda Smith diciembre 20, 2023 - 2:45 pm

Lectura interesante, pero hubo algunas partes que fueron un poco difíciles de seguir, ¿tal vez simplificar la jerga técnica la próxima vez?

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sara k. diciembre 20, 2023 - 5:02 pm

Vaya, nunca pensé que la corrosión del metal pudiera ser tan interesante. Este artículo abre una perspectiva completamente nueva, especialmente desde el punto de vista de la energía limpia.

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David T. diciembre 20, 2023 - 6:29 pm

Debo decir que los impactos económicos son enormes: ¡2,5 billones! Eso es mucho dinero, le vendrían bien algunos detalles más sobre esa parte.

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