Explorer les mystères moléculaires de la dégradation des métaux : une perspective pionnière sur la corrosion

par Hiroshi Tanaka
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metal corrosion research

Dans le cadre d'une avancée scientifique importante, les chercheurs ont utilisé la microscopie électronique à transmission environnementale (TEM) pour approfondir les subtilités moléculaires de l'interaction du métal avec la vapeur d'eau. Cette interaction conduit soit à la corrosion, soit à la passivation, ce qui a des implications considérables dans l'amélioration du contrôle de la corrosion et l'avancement des technologies d'énergie propre, offrant des avantages économiques et environnementaux substantiels. Source : SciTechPost.com

Cette étude innovante met en lumière la manière dont la vapeur d’eau au niveau moléculaire influence les métaux, un facteur essentiel dans la gestion de la corrosion et dans la promotion du développement d’énergies propres.

La corrosion se produit lorsque le métal entre en contact avec de la vapeur d’eau, provoquant des problèmes mécaniques ayant un impact sur l’efficacité des machines. Alternativement, cette interaction peut entraîner une passivation, où une fine couche inerte se forme, offrant une protection contre d’autres dommages.

Même si les processus chimiques précis au niveau atomique étaient auparavant flous, ils deviennent désormais plus compréhensibles grâce au TEM environnemental. Cette méthode permet aux scientifiques d’observer les interactions moléculaires aux plus petites échelles.

Études innovantes sur les réactions au niveau atomique

Depuis sa nomination au Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science de l'Université de Binghamton en 2007, le professeur Guangwen Zhou, membre du département de génie mécanique, étudie les mécanismes de réactions au niveau atomique. En collaboration avec des équipes de l'Université de Pittsburgh et du Brookhaven National Laboratory, Zhou a exploré les attributs structurels et fonctionnels des métaux et la production d'acier respectueux de l'environnement.

Leur étude la plus récente, intitulée « Mécanismes atomistiques de passivation de surface induite par la vapeur d'eau », publiée dans Science Advances, comprend les contributions des doctorants de Binghamton Xiaobo Chen, Dongxiang Wu, Chaoran Li, Shuonan Ye et Shyam Bharatkumar Patel, MS '21 ; Na Cai, doctorat '12 ; Zhao Liu, doctorat '20 ; Weitao Shan, MS '16, et Guofeng Wang de l'Université de Pittsburgh ; avec Sooyeon Hwang, Dmitri N. Zakharov et Jorge Anibal Boscoboinik du Laboratoire national de Brookhaven.

L’étude a présenté une image de microscopie électronique à transmission d’une surface d’aluminium oxydée, révélant que le film d’oxyde passivant formé dans la vapeur d’eau comprend une couche interne d’oxyde d’aluminium amorphe et une couche externe d’hydroxyde d’aluminium cristallin. Source : Fourni

Dans leurs recherches, Zhou et son équipe ont introduit de la vapeur d’eau dans des échantillons d’aluminium vierges et ont surveillé les réactions de surface.

"C'est un phénomène familier dans notre vie quotidienne", a fait remarquer Zhou. « Cependant, les détails de la manière dont les molécules d’eau interagissent avec l’aluminium pour créer cette couche de passivation ne sont pas largement documentés dans la littérature scientifique, notamment à l’échelle atomique. Comprendre cela est crucial si nous souhaitons l’utiliser efficacement, car cela nous permettrait de contrôler le processus.

Ils ont découvert un phénomène inédit : outre la formation d’une couche superficielle d’hydroxyde d’aluminium, une couche amorphe supplémentaire s’est développée en dessous, suggérant un mécanisme permettant à l’oxygène de se diffuser dans le matériau de base.

"La plupart des études sur la corrosion se sont concentrées sur le développement de la couche de passivation et son rôle dans le ralentissement de la corrosion", a noté Zhou. "En examinant ces processus au niveau atomique, nous pensons pouvoir combler les lacunes de notre compréhension."

Guangwen Zhou est professeur au département de génie mécanique du Watson College of Engineering and Applied Science. Source : Jonathan Cohen

Répercussions économiques et environnementales de la recherche sur la corrosion

À l'échelle mondiale, les coûts de réparation contre la corrosion sont estimés à $2,5 billions par an, ce qui représente plus de 3% du PIB mondial. Par conséquent, de meilleures méthodes de gestion de l’oxydation pourraient apporter des avantages économiques significatifs.

De plus, comprendre la désintégration des molécules d’eau en atomes d’hydrogène et d’oxygène et leur interaction avec les métaux pourrait ouvrir la voie à des innovations en matière d’énergie propre. Ce potentiel a conduit le ministère américain de l'Énergie à financer cette recherche et les projets connexes de Zhou dans le passé.

"Séparer l'eau en oxygène et hydrogène, puis les recombiner donne de l'eau pure", a expliqué Zhou. "Ce procédé évite les polluants des combustibles fossiles et n'émet pas de dioxyde de carbone."

Le DOE a constamment renouvelé le financement des recherches de Zhou au cours des 15 dernières années, reconnaissant son importance pour les dispositifs et systèmes énergétiques qui utilisent fréquemment des alliages métalliques comme matériaux structurels.

"Je suis profondément reconnaissant pour le soutien soutenu de cette recherche", a exprimé Zhou. « Cela répond à une question cruciale dans le domaine de l’énergie. »

Référence : « Mécanismes atomistiques de passivation de surface induite par la vapeur d'eau » par 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 et Guangwen Zhou, 1er novembre 2023, Science Advances.
DOI : 10.1126/sciadv.adh5565

Foire aux questions (FAQ) sur la recherche sur la corrosion des métaux

Quel est l’objectif principal de la récente étude scientifique sur les métaux et la vapeur d’eau ?

L'étude étudie principalement la façon dont la vapeur d'eau interagit avec les métaux au niveau moléculaire, en se concentrant sur les processus de corrosion et de passivation. Cette recherche est cruciale pour améliorer la gestion de la corrosion et faire progresser les solutions énergétiques propres.

Comment la vapeur d’eau affecte-t-elle les métaux et quelles sont les conclusions de l’étude ?

Lorsque la vapeur d’eau entre en contact avec des métaux, elle peut provoquer de la corrosion, entraînant des problèmes mécaniques. Alternativement, cela peut entraîner une passivation, formant une couche protectrice contre d’autres dommages. L’étude a utilisé la TEM environnementale pour observer ces interactions au niveau atomique, révélant ainsi de nouveaux détails sur la formation de ces couches.

Qui a mené cette recherche et quelle méthodologie a été utilisée ?

La recherche a été menée par le professeur Guangwen Zhou et son équipe de l'Université de Binghamton, en collaboration avec l'Université de Pittsburgh et le Brookhaven National Laboratory. Ils ont utilisé la microscopie électronique à transmission environnementale (TEM) pour observer directement les interactions moléculaires sur les métaux.

Quels sont les impacts économiques et environnementaux potentiels de cette recherche ?

Une meilleure compréhension et une meilleure gestion de la corrosion des métaux pourraient permettre de réduire les coûts à l'échelle mondiale, étant donné que la réparation de la corrosion est estimée à $2,5 billions par an. De plus, les enseignements de cette recherche pourraient contribuer au développement de solutions énergétiques propres, réduisant ainsi la dépendance aux combustibles fossiles et réduisant les émissions de CO2.

Quelles sont les implications plus larges de cette étude pour le développement des énergies propres ?

Les connaissances de l'étude sur la façon dont les molécules d'eau se désagrègent et interagissent avec les métaux pourraient ouvrir la voie à des innovations dans le domaine des énergies propres. Comprendre ces interactions au niveau atomique est crucial pour développer des systèmes et des matériaux énergétiques plus efficaces et plus respectueux de l’environnement.

En savoir plus sur la recherche sur la corrosion des métaux

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5 commentaires

Mike Johnson décembre 20, 2023 - 2:35 am

Des trucs vraiment fascinants ! mais je pense qu'il y a un peu plus dans l'histoire que le simple aspect scientifique. Qu'en est-il des applications dans le monde réel ?

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Greg B. décembre 20, 2023 - 4:56 am

Excellent article dans l'ensemble, mais certains liens ou références auraient été utiles pour approfondir le sujet.

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Linda Smith décembre 20, 2023 - 2:45 pm

lecture intéressante, mais certaines parties étaient un peu difficiles à suivre, peut-être simplifier le jargon technique la prochaine fois ?

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Sarah K. décembre 20, 2023 - 5:02 pm

wow, je n'aurais jamais cru que la corrosion des métaux pouvait être aussi intéressante, cet article ouvre une toute nouvelle perspective, notamment sous l'angle des énergies propres.

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David T. décembre 20, 2023 - 6:29 pm

je dois dire que les impacts économiques sont énormes, 2,5 billions ! c'est beaucoup d'argent, j'aurais pu utiliser plus de détails sur cette partie.

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