I ricercatori riescono a intravedere su scala nanometrica la corrosione interstiziale e vaiolatura mentre avviene

14 settembre 2017

di Sonia Fernandez, Università della California - Santa Barbara

Cosa influenza quasi tutto ciò che è fatto di metallo, dalle automobili alle barche, ai tubi sotterranei e persino alle otturazioni dei denti? Corrosione: un lento processo di decadimento. Con un costo globale di trilioni di dollari all’anno, comporta un prezzo elevato, per non parlare dei potenziali rischi per la sicurezza, l’ambiente e la salute che comporta.

"La corrosione è stata un grave problema per molto tempo", ha affermato Jacob Israelachvili, professore di ingegneria chimica dell'UC Santa Barbara. In particolare negli spazi ristretti – sottili spazi tra le parti della macchina, l’area di contatto tra l’hardware e la piastra metallica, dietro le guarnizioni e sotto le guarnizioni, giunture dove due superfici si incontrano – l’osservazione ravvicinata di tale dissoluzione elettrochimica è stata una sfida enorme, ha aggiunto.

Non più.

Utilizzando un dispositivo chiamato Surface Forces Apparatus (SFA) sviluppato da Israelachvili, lui e il suo gruppo di ricerca hanno studiato il processo di corrosione interstiziale e per vaiolatura e sono stati in grado di ottenere uno sguardo in tempo reale sul processo di corrosione su superfici confinate. Condotto con lo studente laureato Howard Dobbs e lo scienziato del progetto Kai Kristiansen dell'UCSB, e colleghi del Max-Planck-Institut für Eisenforschung di Düsseldorf, lo studio è pubblicato negli Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze.

"Con l'SFA, possiamo determinare con precisione lo spessore della pellicola metallica di interesse e seguirne lo sviluppo nel tempo man mano che la corrosione procede", ha affermato Kristiansen. La configurazione dei ricercatori ha inoltre permesso loro di avere il controllo della composizione salina della soluzione, della temperatura e del potenziale elettrico della superficie del nichel.

La corrosione interstiziale e per vaiolatura non è il tipo di ruggine superficiale diffusa che potresti vedere sugli scafi di vecchie navi esposte all'oceano. Si tratta invece di attacchi intensi e localizzati, in cui il decadimento visibile può sembrare ingannevolmente minore. In effetti, le cose sembrano andare bene finché non falliscono in modo catastrofico: le macchine si rompono, i ponti cedono, i motori delle navi marittime funzionano male, le otturazioni dentali cadono.

Per questo esperimento i ricercatori hanno studiato una pellicola di nichel contro una superficie di mica. Si sono concentrati sull’inizio della corrosione, il punto in cui la superficie metallica inizia a dissolversi. Hanno osservato che il degrado del materiale non avveniva in modo omogeneo. Piuttosto, alcune aree – luoghi in cui erano presenti probabilmente crepe su microscala e altri difetti superficiali – subirebbero un’intensa corrosione locale con conseguente comparsa improvvisa di buchi.

"È molto anisotropo", ha detto Israelachvili, spiegando che anche all'interno delle fessure, accadono cose diverse vicino all'apertura rispetto a quelle in profondità all'interno della fessura. "Poiché si verifica la diffusione, questa influisce sulla velocità con cui il metallo si dissolve sia dentro che fuori dalla fessura. È un processo molto complesso."

"Il primo passo nel processo di corrosione è solitamente molto importante, poiché indica che qualsiasi strato superficiale protettivo si è rotto e che il materiale sottostante è esposto alla soluzione", ha affermato Dobbs. Da lì, secondo i ricercatori, la corrosione si diffonde dai pozzi e spesso lo fa rapidamente, perché il materiale sottostante non è così resistente al fluido corrosivo.

"Uno degli aspetti più importanti della nostra scoperta è l'importanza della differenza di potenziale elettrico tra la pellicola di interesse e la superficie opposta nell'avvio della corrosione", ha aggiunto Kristiansen. Quando la differenza di potenziale elettrico raggiunge un certo valore critico, più è probabile che inizi la corrosione e più velocemente si diffonderà. In questo caso, la pellicola di nichel ha subito corrosione mentre la mica, più chimicamente inerte, è rimasta integra.

"Abbiamo già visto questo effetto interessante con altri materiali metallici e non metallici", ha detto Dobbs. "Abbiamo alcuni pezzi del puzzle, ma stiamo ancora cercando di svelare l'intero meccanismo di questo fenomeno."