Ce qui affecte presque tout ce qui est en métal, des voitures aux bateaux en passant par les canalisations souterraines et même les plombages dans vos dents ? Corrosion—un lent processus de décomposition. À un coût global de milliers de milliards de dollars par an, il a un prix élevé, sans parler de, la sécurité potentielle, risques pour l'environnement et la santé qu'il pose.

« La corrosion est un problème majeur depuis très longtemps, " a déclaré Jacob Israelachvili, professeur de génie chimique à l'UC Santa Barbara. Particulièrement dans les espaces confinés - de minces espaces entre les pièces de la machine, la zone de contact entre la quincaillerie et la plaque métallique, derrière les joints et sous les joints, coutures où deux surfaces se rencontrent - l'observation attentive d'une telle dissolution électrochimique avait été un énorme défi, il ajouta.

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À l'aide d'un appareil appelé Surface Forces Apparatus (SFA) développé par Israelachvili, lui et son équipe de recherche ont étudié le processus de corrosion par crevasses et piqûres et ont pu obtenir un aperçu en temps réel du processus de corrosion sur des surfaces confinées. Mené avec l'étudiant diplômé Howard Dobbs et le scientifique du projet Kai Kristiansen de l'UCSB, et collègues du Max-Planck-Institut für Eisenforschung à Düsseldorf, l'étude est publiée dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .

"Avec la SFA, nous pouvons déterminer avec précision l'épaisseur de notre film métallique d'intérêt et suivre l'évolution dans le temps au fur et à mesure que la corrosion progresse, " a déclaré Kristiansen. La configuration des chercheurs leur a également permis de contrôler la composition en sel de la solution, et la température, ainsi que le potentiel électrique de la surface du nickel.

La corrosion par crevasses et piqûres n'est pas le genre de rouille de surface généralisée que vous pouvez voir sur les coques de vieux navires exposés à l'océan. Ce sont plutôt intenses, attaques localisées, où la pourriture visible peut sembler faussement mineure. En réalité, les choses semblent très bien jusqu'à ce qu'elles échouent catastrophiquement :les machines se brisent, les ponts se bouclent, dysfonctionnement des moteurs des navires de mer, les obturations dentaires tombent.

Pour cette expérience, les chercheurs ont étudié un film de nickel contre une surface de mica. Ils se sont concentrés sur l'initiation de la corrosion, le point auquel la surface du métal commence à se dissoudre. Ils ont observé que la dégradation du matériau ne se faisait pas de manière homogène. Plutôt, certaines zones – des endroits où il y avait probablement des fissures microscopiques et d'autres défauts de surface – subiraient une corrosion locale intense entraînant l'apparition soudaine de piqûres.

"C'est très anisotrope, " Israëlachvili a dit, expliquant que même dans les crevasses, différentes choses se produisent près de l'ouverture par rapport au plus profond de la crevasse. "Parce que vous avez une diffusion qui se produit, il affecte la vitesse à laquelle le métal se dissout à la fois dans et hors de la crevasse. C'est un processus très complexe."

"La première étape du processus de corrosion est généralement très importante, puisque cela vous indique que toute couche de surface protectrice s'est décomposée et que le matériau sous-jacent est exposé à la solution, " dit Dobbs. A partir de là, selon les chercheurs, la corrosion se propage à partir des piqûres et le fait souvent rapidement, car le matériau sous-jacent n'est pas aussi résistant au fluide corrosif.

"L'un des aspects les plus importants de notre découverte est l'importance de la différence de potentiel électrique entre le film d'intérêt et la surface d'apposition dans l'initiation de la corrosion, " ajoute Kristiansen. Lorsque la différence de potentiel électrique atteint une certaine valeur critique, plus la corrosion est probable et plus elle se propagera rapidement. Dans ce cas, le film de nickel a subi une corrosion tandis que le mica plus chimiquement inerte est resté entier.

"Nous avons déjà vu cet effet intéressant avec d'autres matériaux métalliques et non métalliques, " dit Dobbs. " Nous avons quelques pièces du puzzle, mais nous cherchons toujours à démêler le mécanisme complet de ce phénomène."

Cette recherche en temps réel, Les mécanismes de corrosion à l'échelle micro et nanométrique fournissent des informations précieuses sur lesquelles les scientifiques peuvent s'appuyer, ce qui peut conduire à des modèles et des prédictions de comment et quand les matériaux dans les espaces confinés sont susceptibles de se corroder.

"En gros, il s'agit de prolonger la durée de vie des métaux et des appareils, " a déclaré Israelachvili. Surtout de nos jours où les appareils peuvent être très petits, et vous pouvez même les mettre dans le corps, il ajouta, comprendre comment protéger correctement les surfaces sujettes à la corrosion réduira le besoin de les remplacer en raison de dommages.

Inversement, comprendre comment accélérer la dissolution là où cela serait approprié serait également bénéfique, comme avec les non traditionnels (par exemple, aluminosilica) ciments qui produisent moins de dioxyde de carbone.

« Une étape importante dans la formation du ciment est la dissolution des principaux ingrédients du ciment, silice et alumine, qui est très lent et nécessite des conditions hautement caustiques dangereuses pour une utilisation dans la production à grande échelle, " a déclaré Dobbs. "Améliorer le taux de dissolution tout en évitant le besoin de produits dangereux, des solutions caustiques supprimeraient une barrière technologique dans la mise en œuvre de ciments non traditionnels. »