Durch Untersuchung von Korrosionsvorgängen bessere Schutzfilme für Metalle entwickeln
Analyse von Oxidschichten auf atomarer Ebene
Korrosion ist ein uraltes Problem, das schätzungsweise etwa 1 Billionen Dollar pro Jahr oder etwa 5 Prozent des US-Bruttoinlandsprodukts kostet. Die Korrosion von Metallen kann besonders schwerwiegend sein, aber glücklicherweise werden sie in der Regel durch natürliche, hauchdünne Oxidschichten vor katastrophalen Schäden geschützt.
Rost auf Stahloberfläche, Symbolbild
Couleur; pixabay.com; CC0
Traditionell wurden diese Schutzschichten als einfache Oxide gut vorhersehbarer Verbindungen angesehen, aber neue Arbeiten von Wissenschaftlern der Northwestern University, der University of Virginia und der University of Wisconsin-Madison zeigen dramatische neue Erkenntnisse über diese Oxidschichten.
Mit modernsten experimentellen Techniken und theoretischen Modellen konnten die Wissenschaftler Oxidschichten auf atomarer Ebene analysieren und entschlüsseln, wie die Atome in den Oxiden angeordnet sind.
Ihre Ergebnisse? Die Schutzschichten entwickeln neue Strukturen und Zusammensetzungen, die davon abhängen, wie schnell die Oxidschicht wächst. Die Autoren der Studie sagen, dass ihre Ergebnisse Hinweise darauf geben könnten, wie man die Schutzfilme besser machen kann - vielleicht viel, viel, viel besser.
Es ist ein Durchbruch, der Auswirkungen auf alles haben könnte, von Muttern und Schrauben über High-Tech-Batterien bis hin zu Turbinenmotoren.
"Dies ändert viele Dinge darüber, wie wir diese Oxidschichten verstehen und öffnet die Tür zu drastisch neuen Möglichkeiten des Oberflächenschutzes von Metallen", sagte Laurence Marks, Professor für Materialwissenschaft und Ingenieurwesen an der Northwestern's McCormick School of Engineering, die die Studie leitete. "Wir wissen jetzt, dass es Möglichkeiten gibt, die chemische Zusammensetzung dieser Schichten vorherzusagen, was wir nutzen können, damit die Schutzfilme viel länger halten."
Die Studie wurde heute (3. Oktober) von der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.
"Wir haben jetzt mehr Möglichkeiten als je zuvor, Oxide zu kontrollieren und abzustimmen, um Materialien zu schützen", sagte John Scully, der Charles Henderson Chaired Professor und Vorsitzende des Department of Materials Science and Engineering an der University of Virginia und einer der Autoren der Studie.
"Dies liefert wichtige Informationen darüber, wie man neue Materialien entwickelt, die weitaus weniger korrodieren", sagte Peter Voorhees, einer der Autoren der Studie. Voorhees ist der Frank C. Engelhart Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der Northwestern Engineering.
Das Team untersuchte im Detail die Oxide, die sich auf Legierungen aus Nickel und Chrom bilden, die in einer Vielzahl von Produkten, wie beispielsweise den Heizelementen eines Haushaltstoasters oder in Flugzeugtriebwerken, weit verbreitet sind.
Diese Oxide werden auch für Anwendungen bei Anwesenheit von Feuchtigkeit eingesetzt, z.B. in Zahnimplantaten. Es ist seit langem bekannt, dass diese Oxide im heißen Zustand wirken und der Korrosion im Mund durch die Bildung eines Chromoxids widerstehen. Es wurde angenommen, dass das Nickel ein separates Oxid bildete oder in einigen Fällen im Körper gelöst wurde. Das Team fand etwas Unerwartetes heraus - dass das Oxid nicht nur Chrom und Sauerstoff war, sondern stattdessen eine sehr große Anzahl von Nickelatomen enthielt.
Warum? Weil die Nickelatome keine Zeit haben, aus dem Oxid zu entweichen und sich darin eingefangen werden. Der Anteil, der eingefangen wird, hängt davon ab, wie schnell das Oxid wächst. Wenn es sehr langsam wächst, können die Nickelatome entweichen. Wenn es sehr schnell wächst, können sie es nicht.
Dies geschieht sowohl, wenn die Metalle mit Sauerstoff aus der Luft bei hohen Temperaturen reagieren, als auch, wenn sie mit Wasser in Schiffen oder Zahnimplantaten reagieren. Die Atome, die im Oxid eingeschlossen sind, verändern viele der Eigenschaften, sagen die Autoren der Studie.
Mit den Erkenntnissen ist es möglich, Atome auf neue Weise bewusst in diese Oxide einzufangen und damit ihr Verhalten zu verändern.
"Wir sind nahe an den Grenzen dessen, was wir mit Flugzeugtriebwerken erreichen können, als ein Beispiel", sagte John Perepezko, IBM-Bascom Professor für Materialwissenschaft und Ingenieurwesen an der University of Wisconsin-Madison und einer der Autoren der Studie. "Diese neue Vision der schützenden Oxidbildung führt zu vielen neuen Wegen, wie man bessere Motoren bauen kann."
Originalveröffentlichung
Xiao-xiang Yu, Ahmet Gulec, Quentin Sherman, Katie Lutton Cwalina, John R. Scully, John H. Perepezko, Peter W. Voorhees, and Laurence D. Marks; "Nonequilibrium Solute Capture in Passivating Oxide Films"; Phys. Rev. Lett.; 2018
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