Uma imagem de microscopia eletrônica de transmissão da superfície de alumínio oxidado mostra que o filme de óxido passivante formado no vapor de água consiste em uma camada interna de óxido de alumínio amorfo e uma camada externa de hidróxido de alumínio cristalino. Crédito:Fornecido. Quando o vapor de água encontra o metal, a corrosão resultante pode levar a problemas mecânicos que prejudicam o desempenho da máquina. Através de um processo denominado passivação, também pode formar uma fina camada inerte que atua como uma barreira contra maior deterioração.
De qualquer forma, a reação química exata não é bem compreendida em nível atômico, mas isso está mudando graças a uma técnica chamada microscopia eletrônica de transmissão ambiental (TEM), que permite aos pesquisadores visualizar diretamente as moléculas interagindo na menor escala possível.
O professor Guangwen Zhou - membro do corpo docente da Faculdade de Engenharia e Ciências Aplicadas Thomas J. Watson da Universidade de Binghamton - tem investigado os segredos das reações atômicas desde que ingressou no Departamento de Engenharia Mecânica em 2007. Junto com colaboradores da Universidade de Pittsburgh e do Brookhaven Laboratório Nacional, estudou as propriedades estruturais e funcionais dos metais e o processo de fabricação do aço “verde”.
Sua pesquisa mais recente, "Mecanismos atomísticos de passivação de superfície induzida por vapor de água", foi publicada em novembro na revista Science Advances. .
No artigo, Zhou e sua equipe introduziram vapor de água para limpar amostras de alumínio e observaram as reações superficiais.
“Esse fenômeno é bem conhecido porque acontece em nossas vidas diárias”, disse ele. "Mas como as moléculas de água reagem com o alumínio para formar essa camada de passivação? Se você olhar a literatura [de pesquisa], não há muito trabalho sobre como isso acontece em escala atômica. Se quisermos usar isso para o bem, devemos saber porque então teremos alguma maneira de controlá-lo."
Eles descobriram algo que nunca havia sido observado antes:além da camada de hidróxido de alumínio que se formou na superfície, uma segunda camada amorfa se desenvolveu abaixo dela, o que indica que existe um mecanismo de transporte que difunde o oxigênio no substrato.
“A maioria dos estudos de corrosão concentra-se no crescimento da camada de passivação e em como ela retarda o processo de corrosão”, disse Zhou. "Olhando para isso em escala atômica, sentimos que podemos preencher a lacuna de conhecimento."
O custo da reparação da corrosão em todo o mundo é estimado em 2,5 biliões de dólares por ano, o que representa mais de 3% do PIB global – portanto, desenvolver melhores formas de gerir a oxidação seria um benefício económico.
Além disso, compreender como os átomos de hidrogênio e oxigênio de uma molécula de água se separam para interagir com os metais poderia levar a soluções de energia limpa, razão pela qual o Departamento de Energia dos EUA financiou esta pesquisa e projetos semelhantes de Zhou no passado.
“Se você quebrar a água em oxigênio e hidrogênio ao recombiná-la, será apenas água novamente”, disse ele. “Não tem contaminação de combustíveis fósseis e não produz dióxido de carbono”.
Devido às implicações da energia limpa, o DOE renovou regularmente o financiamento de Zhou nos últimos 15 anos.
“Agradeço muito o apoio de longo prazo a esta pesquisa”, disse Zhou. “É uma questão muito importante para dispositivos ou sistemas de energia porque há muitas ligas metálicas que são usadas como material estrutural”.
Mais informações: Xiaobo Chen et al, Mecanismos atomísticos de passivação de superfície induzida por vapor de água, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adh5565 Informações do diário: Avanços da ciência
