Los investigadores obtienen una visión a nanoescala de la corrosión por grietas y picaduras a medida que sucede

14 de septiembre de 2017

por Sonia Fernández, Universidad de California - Santa Bárbara

¿Qué afecta a casi todo lo que está hecho de metal, desde automóviles hasta botes, tuberías subterráneas e incluso los empastes en los dientes? Corrosión: un proceso lento de descomposición. Con un costo global de billones de dólares anuales, conlleva un alto precio, sin mencionar los peligros potenciales para la seguridad, el medio ambiente y la salud que plantea.

"La corrosión ha sido un problema importante durante mucho tiempo", dijo el profesor de ingeniería química de UC Santa Barbara, Jacob Israelachvili. Particularmente en espacios reducidos (espacios estrechos entre las piezas de la máquina, el área de contacto entre el hardware y la placa de metal, detrás de los sellos y debajo de las juntas, costuras donde se unen dos superficies), la observación cercana de tal disolución electroquímica ha sido un desafío enorme, agregó.

Ya no.

Usando un dispositivo llamado Surface Forces Apparatus (SFA) desarrollado por Israelachvili, él y su equipo de investigación investigaron el proceso de corrosión por grietas y picaduras y pudieron observar en tiempo real el proceso de corrosión en superficies confinadas. Realizado con el estudiante graduado Howard Dobbs y el científico del proyecto Kai Kristiansen de UCSB, y colegas del Max-Planck-Institut für Eisenforschung en Düsseldorf, el estudio se publica en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias.

"Con el SFA, podemos determinar con precisión el grosor de nuestra película de metal de interés y seguir el desarrollo a lo largo del tiempo a medida que avanza la corrosión", dijo Kristiansen. La configuración de los investigadores también les permitió controlar la composición salina de la solución y la temperatura, así como el potencial eléctrico de la superficie de níquel.

La corrosión por grietas y picaduras no es el tipo de oxidación superficial generalizada que se puede ver en los cascos de los barcos viejos expuestos al océano. Estos son, en cambio, ataques intensos y localizados, donde la descomposición visible puede parecer engañosamente menor. De hecho, las cosas parecen estar bien hasta que fallan catastróficamente: las máquinas se rompen, los puentes se doblan, los motores de los barcos de navegación funcionan mal, los empastes dentales se caen.

Para este experimento, los investigadores estudiaron una película de níquel contra una superficie de mica. Se centraron en el inicio de la corrosión, el punto en el que la superficie del metal comienza a disolverse. Observaron que la degradación del material no se produjo de forma homogénea. Más bien, ciertas áreas (lugares donde probablemente había grietas a microescala y otros defectos superficiales) experimentarían una intensa corrosión local que resultaría en la aparición repentina de picaduras.

"Es muy anisotrópico", dijo Israelachvili, explicando que incluso dentro de las grietas, suceden cosas diferentes cerca de la abertura y en el interior de la grieta. "Debido a que se produce la difusión, afecta la velocidad a la que el metal se disuelve tanto dentro como fuera de la grieta. Es un proceso muy complejo".

"El primer paso en el proceso de corrosión suele ser muy importante, ya que indica que cualquier capa protectora de la superficie se ha roto y que el material subyacente está expuesto a la solución", dijo Dobbs. A partir de ahí, según los investigadores, la corrosión se propaga desde las picaduras y, a menudo, lo hace rápidamente, porque el material subyacente no es tan resistente al fluido corrosivo.

"Uno de los aspectos más importantes de nuestro hallazgo es la importancia de la diferencia de potencial eléctrico entre la película de interés y la superficie opuesta en el inicio de la corrosión", agregó Kristiansen. Cuando la diferencia de potencial eléctrico alcanza un cierto valor crítico, es más probable que comience la corrosión y más rápido se propagará. En este caso, la película de níquel experimentó corrosión mientras que la mica químicamente más inerte permaneció entera.

"Hemos visto este efecto interesante antes con otros materiales metálicos y no metálicos", dijo Dobbs. "Tenemos algunas piezas del rompecabezas, pero todavía estamos tratando de desentrañar el mecanismo completo de este fenómeno".

Esta investigación sobre los mecanismos de corrosión en micro y nanoescala en tiempo real proporciona información valiosa que los científicos pueden aprovechar, lo que puede conducir a modelos y predicciones de cómo y cuándo es probable que se corroan los materiales en espacios confinados.

“Básicamente se trata de prolongar la vida útil de los metales y los dispositivos”, dijo Israelachvili. Especialmente en estos días en los que los dispositivos pueden ser muy pequeños e incluso puedes colocarlos en el cuerpo, agregó, comprender cómo proteger adecuadamente las superficies propensas a la corrosión reducirá la necesidad de reemplazarlos debido a daños.

Por el contrario, comprender cómo acelerar la disolución donde sería apropiado también sería beneficioso, como con cementos no tradicionales (p. ej., aluminosilica) que producen menos dióxido de carbono.

"Un paso importante en la formación del cemento es la disolución de los principales ingredientes del cemento, sílice y alúmina, que es muy lenta y requiere condiciones altamente cáusticas que no son seguras para su uso en la producción a gran escala", dijo Dobbs. "Mejorar la tasa de disolución y evitar la necesidad de soluciones cáusticas inseguras eliminaría una barrera tecnológica en la implementación de cementos no tradicionales".

Más información: C. Merola et al. Imágenes in situ de nano a microscópicas y mecanismo de crecimiento de disolución electroquímica (p. ej., corrosión) de una superficie de metal confinada, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2017). DOI: 10.1073/pnas.1708205114

Información del diario:procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias

Proporcionado por la Universidad de California - Santa Bárbara