Une nouvelle recherche examine la corrosion au niveau atomique

Lorsque la vapeur d'eau rencontre du métal, la corrosion qui en résulte peut entraîner des problèmes mécaniques qui nuisent aux performances d'une machine. Grâce à un processus appelé passivation, il peut également former une fine couche inerte qui agit comme une barrière contre une détérioration ultérieure.

Quoi qu’il en soit, la réaction chimique exacte n’est pas bien comprise au niveau atomique, mais cela change grâce à une technique appelée microscopie électronique à transmission environnementale (TEM), qui permet aux chercheurs de visualiser directement les molécules qui interagissent à l’échelle la plus petite possible.

Le professeur Guangwen Zhou, membre du corps professoral du Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science de l'Université de Binghamton, étudie les secrets des réactions atomiques depuis qu'il a rejoint le Département de génie mécanique en 2007. Avec des collaborateurs de l'Université de Pittsburgh et de Brookhaven Laboratoire national, il a étudié les propriétés structurelles et fonctionnelles des métaux et le processus de fabrication de l'acier « vert ».

Leur dernière recherche, « Mécanismes atomistiques de passivation de surface induite par la vapeur d'eau », a été publiée en novembre dans la revue Avancées scientifiques.

Dans l'article, Zhou et son équipe ont introduit de la vapeur d'eau pour nettoyer les échantillons d'aluminium et ont observé les réactions de surface.

“Ce phénomène est bien connu car il se produit dans notre vie quotidienne”, a-t-il déclaré. “Mais comment les molécules d'eau réagissent-elles avec l'aluminium pour former cette couche de passivation ? Si vous regardez la littérature (de recherche), il n'y a pas beaucoup de travaux sur la façon dont cela se produit à l'échelle atomique. Si nous voulons l'utiliser à bon escient, nous devons savoir car alors nous aurons un moyen de le contrôler. »

Ils ont découvert quelque chose qui n'avait jamais été observé auparavant : en plus de la couche d'hydroxyde d'aluminium formée à la surface, une deuxième couche amorphe s'est développée en dessous, ce qui indique qu'il existe un mécanisme de transport qui diffuse l'oxygène dans le substrat.

“La plupart des études sur la corrosion se concentrent sur la croissance de la couche de passivation et sur la manière dont elle ralentit le processus de corrosion”, a déclaré Zhou. “Si l'on considère les choses à l'échelle atomique, nous pensons pouvoir combler le fossé des connaissances.”

Le coût de la réparation de la corrosion dans le monde est estimé à 2 500 milliards de dollars par an, soit plus de 3 % du PIB mondial ; développer de meilleures façons de gérer l’oxydation serait donc une aubaine économique.

De plus, comprendre comment les atomes d'hydrogène et d'oxygène d'une molécule d'eau se séparent pour interagir avec les métaux pourrait conduire à des solutions énergétiques propres. C'est pourquoi le ministère américain de l'Énergie a financé cette recherche et des projets similaires de Zhou dans le passé.

“Si vous divisez l'eau en oxygène et en hydrogène lorsque vous la recombinez, ce n'est plus que de l'eau”, a-t-il déclaré. “Il n'est pas contaminé par les combustibles fossiles et ne produit pas de dioxyde de carbone.”

En raison des implications en matière d'énergie propre, le DOE a régulièrement renouvelé la subvention de Zhou au cours des 15 dernières années.

“J'apprécie grandement le soutien à long terme apporté à cette recherche”, a déclaré Zhou. “C'est un problème très important pour les appareils énergétiques ou les systèmes énergétiques, car de nombreux alliages métalliques sont utilisés comme matériaux de structure.”