Identificato un nuovo meccanismo di corrosione

Secondo gli scienziati, il controllo della corrosione unidimensionale dei wormhole potrebbe aiutare a far progredire i progetti delle centrali elettriche

La corrosione è una modalità di cedimento onnipresente dei materiali. Spesso, la progressione della corrosione localizzata è accompagnata dall'evoluzione della porosità in materiali precedentemente segnalati come tridimensionali o bidimensionali. Tuttavia, utilizzando nuovi strumenti e tecniche di analisi, gli scienziati si sono resi conto che una forma più localizzata di corrosione, che chiamano corrosione wormhole 1D, è stata precedentemente classificata erroneamente in alcune situazioni.

Come ha fatto il sale fuso a violare il suo contenitore di metallo? Comprendere il comportamento del sale fuso, un refrigerante proposto per i reattori nucleari di prossima generazione e l'energia di fusione, è una questione di sicurezza critica per la produzione di energia avanzata. Il team di ricerca multi-istituzionale, co-guidato dalla Penn State, ha inizialmente ripreso una sezione trasversale del contenitore sigillato, non trovando alcun percorso chiaro per il sale che appare all'esterno. I ricercatori hanno quindi utilizzato la tomografia elettronica, una tecnica di imaging 3D, per rivelare il più piccolo dei passaggi collegati che uniscono due lati del contenitore solido. La scoperta, riportata su Nature Communications (1), ha portato solo a più domande per il team che indaga sullo strano fenomeno.

«La corrosione, una modalità di cedimento onnipresente dei materiali, è tradizionalmente misurata in tre dimensioni o due dimensioni, ma quelle teorie non erano sufficienti per spiegare il fenomeno in questo caso», ha affermato l'autore co-corrispondente, il dottor Yang Yang (2), assistente professore di scienze ingegneristiche e meccanica e di ingegneria nucleare alla Penn State. È anche affiliato con il National Center for Electron Microscopy presso il Lawrence Berkeley National Laboratory, nonché con il Materials Research Institute presso Penn State. «Abbiamo scoperto che questa corrosione penetrante era così localizzata che esisteva solo in una dimensione, come un wormhole».

I wormholes sulla Terra, a differenza dell'ipotetico fenomeno astrofisico, sono tipicamente annoiati da insetti come vermi e coleotteri. Scavano nel terreno, nel legno o nei frutti, lasciando dietro di sé un buco mentre scavano un labirinto invisibile. Il verme può tornare in superficie attraverso un nuovo foro. Dalla superficie, sembra che il verme scompaia in un punto nello spazio e nel tempo e riappaia in un altro. La tomografia elettronica potrebbe rivelare su scala microscopica i tunnel nascosti del percorso del sale fuso, la cui morfologia appare molto simile ai wormholes.

Per interrogarsi su come il sale fuso “scava” attraverso il metallo, il dottor Yang e il team hanno sviluppato nuovi strumenti e approcci di analisi. Secondo Yang, le loro scoperte non solo fanno emergere un nuovo meccanismo di morfologia della corrosione, ma indicano anche il potenziale della progettazione intenzionale di tali strutture per consentire materiali più avanzati.

«La corrosione è spesso accelerata in siti specifici a causa di vari difetti dei materiali e ambienti locali distinti, ma il rilevamento, la previsione e la comprensione della corrosione localizzata è estremamente impegnativo», ha affermato l'autore corrispondente, il dottor Andrew M. Minor (3), professore di scienza dei materiali e ingegneria presso l'University of California Berkeley e il Lawrence Berkeley National Laboratory.

Il team ha ipotizzato che la formazione di wormholes sia collegata all'eccezionale concentrazione di posti vacanti - i siti vuoti che risultano dalla rimozione di atomi - nel materiale. Per dimostrarlo, il team ha combinato la microscopia elettronica a trasmissione a scansione 4D con calcoli teorici per identificare i posti vacanti nel materiale. Insieme, questo ha permesso ai ricercatori di mappare i posti vacanti nella disposizione atomica del materiale su scala nanometrica. «La risoluzione risultante è 10.000 volte superiore rispetto ai metodi di rilevamento convenzionali», ha affermato Yang.

«I materiali non sono perfetti», ha affermato l'autore corrispondente, il dottor Michael Short (4), professore associato di scienze e ingegneria nucleare presso il Massachusetts Institute of Technology (MIT). «Hanno posti vacanti e la concentrazione di posti vacanti aumenta man mano che il materiale viene riscaldato, irradiato o, nel nostro caso, sottoposto a corrosione. Le tipiche concentrazioni di posti vacanti sono molto inferiori a quelle causate dal sale fuso, che si aggrega e funge da precursore del wormhole».

Il sale fuso, che può essere utilizzato come mezzo di reazione per la sintesi dei materiali, il riciclaggio del solvente e altro oltre a un refrigerante per reattori nucleari, rimuove selettivamente gli atomi dal materiale durante la corrosione, formando i wormholes 1D lungo i difetti 2D, chiamati bordi di grano, nel metallo. I ricercatori hanno scoperto che il sale fuso riempiva i vuoti di varie leghe metalliche in modi unici.

«Solo dopo aver saputo come si infiltra il sale possiamo controllarlo o usarlo intenzionalmente», ha detto il co-primo autore, il dottor Weiyue Zhou (5), associato post-dottorato al MIT. «Questo è fondamentale per la sicurezza di molti sistemi di ingegneria avanzati».

Ora che i ricercatori comprendono meglio come il sale fuso attraversa metalli specifici e come cambia a seconda dei tipi di sale e metallo, hanno detto che sperano di applicare quella fisica per prevedere meglio il cedimento dei materiali e progettare materiali più resistenti.

«Come passo successivo, vogliamo capire come questo processo si evolve in funzione del tempo e come possiamo catturare il fenomeno con la simulazione per aiutare a comprenderne i meccanismi», ha detto la coautrice, la dottoressa Mia Jin (6), assistente professoressa di ingegneria nucleare alla Penn State. «Una volta che la modellazione e gli esperimenti possono andare di pari passo, può essere più efficiente imparare a creare nuovi materiali per sopprimere questo fenomeno quando non desiderato e utilizzarlo altrimenti».

Altri collaboratori includono i coautori: Jim Ciston, M.C. Scott, Sheng Yin, Qin Yu, Robert O. Ritchie and Mark Asta, Lawrence Berkeley National Laboratory; co-authors Mingda Li e Ju Li, MIT; Sarah Y. Wang, Ya-Qian Zhang e Steven E. Zeltmann, University of California, Berkeley; Matthew J. Olszta and Daniel K. Schreiber, Pacific Northwest National Laboratory; John R. Scully, University of Virginia. Minor, Scott, Ritchie e Asta sono anche affiliati all'University of California, Berkeley.

Questo lavoro è stato sostenuto principalmente da FUTURE (Fundamental Understanding of Transport Under Reactor Extremes), un centro di ricerca sulla frontiera energetica finanziato dal Department of Energy, Office of Science, Basic Energy Sciences.

Riferimenti:

(1) One dimensional wormhole corrosion in metals

(2) Yang Yang

(3) Andrew M. Minor

(4) Michael Short

(5) Weiyue Zhou

(6) Mia Jin

Descrizione foto: Il sale fuso ha corroso una barriera metallica, apparendo disconnesso in una vista in sezione del danno (a destra). I ricercatori hanno ripreso la corrosione in 3D e ricostruito il percorso del sale attraverso il metallo (a sinistra). - Credit: ang Yang/Penn State.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Scientists identify new mechanism of corrosion