Cuando el vapor de agua entra en contacto con el metal, la corrosión resultante puede provocar problemas mecánicos que perjudican el rendimiento de la máquina. A través de un proceso llamado pasivación, también puede formar una fina capa inerte que actúa como barrera contra un mayor deterioro.
De cualquier manera, la reacción química exacta no se comprende bien a nivel atómico, pero eso está cambiando gracias a una técnica llamada microscopía electrónica de transmisión ambiental (TEM), que permite a los investigadores ver directamente las moléculas que interactúan en la escala más pequeña posible.
El profesor Guangwen Zhou, miembro del cuerpo docente de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas Thomas J. Watson de la Universidad de Binghamton, ha estado investigando los secretos de las reacciones atómicas desde que se unió al Departamento de Ingeniería Mecánica en 2007. Junto con colaboradores de la Universidad de Pittsburgh y Brookhaven. Laboratorio Nacional, ha estudiado las propiedades estructurales y funcionales de los metales y el proceso de fabricación del acero "verde".
Su última investigación, "Mecanismos atómicos de la pasivación superficial inducida por vapor de agua", se publicó en noviembre en la revista Science Advances. .
En el artículo, Zhou y su equipo introdujeron vapor de agua para limpiar muestras de aluminio y observaron las reacciones de la superficie.
"Este fenómeno es bien conocido porque ocurre en nuestra vida diaria", dijo. "¿Pero cómo reaccionan las moléculas de agua con el aluminio para formar esta capa de pasivación? Si nos fijamos en la literatura [de investigación], no hay mucho trabajo sobre cómo sucede esto a escala atómica. Si queremos usarlo para siempre, debemos saberlo. porque entonces tendremos alguna manera de controlarlo."
Descubrieron algo que nunca antes se había observado:además de la capa de hidróxido de aluminio que se formó en la superficie, se desarrolló una segunda capa amorfa debajo de ella, lo que indica que existe un mecanismo de transporte que difunde oxígeno hacia el sustrato.
"La mayoría de los estudios de corrosión se centran en el crecimiento de la capa de pasivación y en cómo ralentiza el proceso de corrosión", dijo Zhou. "Viéndolo desde una escala atómica, creemos que podemos cerrar la brecha de conocimiento."
El costo de reparar la corrosión en todo el mundo se estima en 2,5 billones de dólares al año, lo que representa más del 3 % del PIB mundial, por lo que desarrollar mejores formas de gestionar la oxidación sería una bendición económica.
Además, comprender cómo los átomos de hidrógeno y oxígeno de una molécula de agua se rompen para interactuar con los metales podría conducir a soluciones de energía limpia, razón por la cual el Departamento de Energía de EE. UU. financió esta investigación y proyectos similares de Zhou en el pasado.
"Si se descompone el agua en oxígeno e hidrógeno cuando se recombina, vuelve a ser sólo agua", dijo. "No tiene la contaminación de los combustibles fósiles y no produce dióxido de carbono".
Debido a las implicaciones de energía limpia, el DOE ha renovado periódicamente la subvención de Zhou durante los últimos 15 años.
"Aprecio mucho el apoyo a largo plazo para esta investigación", afirmó Zhou. "Es una cuestión muy importante para los dispositivos o sistemas de energía porque hay muchas aleaciones metálicas que se utilizan como material estructural".
Más información: Xiaobo Chen et al, Mecanismos atomísticos de pasivación superficial inducida por vapor de agua, Avances científicos (2023). DOI:10.1126/sciadv.adh5565
Información de la revista: Avances científicos
Proporcionado por la Universidad de Binghamton
