Quando você sofre uma queda, uma colisão em campo ou algum outro golpe traumático, a primeira coisa que o médico fará é tirar um raio-x, Tomografia computadorizada ou ressonância magnética para determinar se algo foi danificado internamente. Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) estão usando o mesmo princípio, mas de uma forma mais poderosa, para detectar corrosão, o principal perigo que ameaça a saúde da estrutura de aço dentro das pontes do país, estradas e outras infraestruturas físicas antigas.

O que eles desenvolveram é uma técnica não invasiva de "impressão digital espectral" que revela a corrosão do aço revestido de concreto antes que possa causar qualquer degradação significativa da estrutura que suporta. O método de detecção é descrito em um novo artigo na revista Ressonância Magnética Aplicada .

Quando a água e o oxigênio corroem o ferro, diferentes produtos de óxido de ferro são produzidos, com os dois mais comuns sendo goethita e hematita. "A ferrugem marrom que se forma quando você deixa um martelo na chuva é principalmente goethita, e quando uma barra de reforço de aço [vergalhão] corrói dentro de uma plataforma de ponte de concreto, que é principalmente hematita, "disse o físico químico do NIST Dave Plusquellic." Mostramos em nosso novo estudo com goethita, e nosso trabalho anterior com hematita, que a radiação terahertz - ondas eletromagnéticas com frequências de 10 a 100 vezes mais altas do que as microondas usadas para cozinhar alimentos - pode detectar ambos os produtos de corrosão nos estágios iniciais de formação. "

Os métodos de imagem atuais para descobrir a corrosão usam microondas para registrar as mudanças no estado físico do aço afetado, tais como mudanças na espessura de um vergalhão dentro do concreto de uma ponte ou outra estrutura.

"Infelizmente, no momento em que essas mudanças são detectáveis, o processo corrosivo já está a caminho de causar rachaduras no concreto, "disse o físico e NIST Fellow Ed Garboczi.

Adicionalmente, Garboczi disse que a maioria dos métodos de imagem por micro-ondas dependem de comparações com medições de linha de base do aço feitas no momento da construção, uma prática que remonta apenas a cerca de 25 anos.

"Isso é um problema real, já que a média de idade de 400 anos, 000 pontes de concreto armado nos Estados Unidos é de 50 anos e não há dados básicos disponíveis para muitas delas, " ele explicou.

O método de detecção de onda NIST terahertz funciona porque a goethita e a hematita são antiferromagnéticas. Em outras palavras, os pares de elétrons sentados lado a lado dentro dos átomos de ferro nesses materiais giram em direções opostas, deixando-os não afetados por campos magnéticos externos. Em contraste, os elétrons nos átomos de ferro de um ímã doméstico, que é ferromagnético, giram na mesma direção e são atraídos ou repelidos por campos magnéticos externos.

"As ondas Terahertz inverterão o alinhamento de spin de um dos elétrons em um par e serão absorvidas pela hematita ou goethita, "Plusquellic disse." Usando um detector de ondas milimétricas, descobrimos que esta absorção antiferromagnética ocorre apenas dentro de faixas de frequência estreitas na região de terahertz do espectro eletromagnético - produzindo 'impressões digitais espectrais' exclusivas para goethita e hematita, e, por sua vez, corrosão do ferro. "

Com os avanços atuais em fontes e detectores de terahertz, a nova técnica de avaliação não destrutiva do NIST tem o potencial de detectar rapidamente pequenas quantidades de óxidos contendo ferro da corrosão em estágio inicial do aço cercado por concreto, compostos de polímero (como o isolamento de tubos em uma fábrica), tintas e outros materiais de proteção.

"No laboratório, demonstramos que uma fonte terahertz de 2 miliwatts pode produzir ondas que detectam hematita em 25 milímetros de concreto, "Plusquellic disse." Usando fontes terahertz com potências na casa das centenas de miliwatts e receptores de última geração com relações sinal-ruído sem precedentes, devemos ser capazes de penetrar 50 milímetros, a espessura do concreto que cobre a primeira camada de vergalhão usada na maioria das estruturas de concreto armado com aço. "

O próximo passo para a equipe do NIST será uma tentativa de encontrar uma impressão digital espectral para akageneita, um produto de corrosão de ferro formado na presença de íons cloreto, que vêm de fontes como água do mar e sal de degelo de estradas.

"A Akageneita pode causar problemas no concreto armado com aço semelhantes aos observados com goethita e hematita, "Disse Garboczi.

O método de detecção de corrosão antiferromagnética foi concebido pela primeira vez em 2009 pelo falecido William Egelhoff, bolsista do NIST e pioneiro no campo de materiais magnéticos.