Forscher erhalten einen Einblick in die Entstehung von Spalt- und Lochfraß im Nanomaßstab

14. September 2017

von Sonia Fernandez, University of California – Santa Barbara

Was betrifft fast alles, was aus Metall besteht, von Autos über Boote bis hin zu unterirdischen Rohren und sogar den Füllungen in Ihren Zähnen? Korrosion – ein langsamer Zerfallsprozess. Mit weltweiten Kosten von Billionen US-Dollar pro Jahr ist der Preis hoch, ganz zu schweigen von den potenziellen Sicherheits-, Umwelt- und Gesundheitsrisiken, die er mit sich bringt.

„Korrosion ist seit langem ein großes Problem“, sagte Jacob Israelachvili, Professor für Chemieingenieurwesen an der UC Santa Barbara. Besonders in engen Räumen – dünne Spalten zwischen Maschinenteilen, der Kontaktbereich zwischen Hardware und Metallplatte, hinter Dichtungen und unter Dichtungen, Nähte, wo zwei Oberflächen aufeinandertreffen – sei die genaue Beobachtung einer solchen elektrochemischen Auflösung eine enorme Herausforderung gewesen, fügte er hinzu.

Nicht länger.

Mit einem von Israelachvili entwickelten Gerät namens Surface Forces Apparatus (SFA) untersuchten er und sein Forschungsteam den Prozess der Spalt- und Lochfraßkorrosion und konnten sich in Echtzeit einen Überblick über den Korrosionsprozess auf begrenzten Oberflächen verschaffen. Die Studie wurde gemeinsam mit dem Doktoranden Howard Dobbs und dem Projektwissenschaftler Kai Kristiansen von der UCSB sowie Kollegen am Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf durchgeführt und in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.

„Mit der SFA können wir die Dicke unseres interessierenden Metallfilms genau bestimmen und die Entwicklung im Laufe der Zeit mit fortschreitender Korrosion verfolgen“, sagte Kristiansen. Der Aufbau der Forscher ermöglichte es ihnen auch, die Salzzusammensetzung der Lösung und die Temperatur sowie das elektrische Potenzial der Nickeloberfläche zu kontrollieren.

Spalt- und Lochfraßkorrosion ist nicht die Art von weit verbreitetem Oberflächenrost, wie man sie vielleicht an den Rümpfen alter Schiffe sieht, die dem Meer ausgesetzt sind. Stattdessen handelt es sich um intensive, lokalisierte Angriffe, bei denen der sichtbare Verfall täuschend gering erscheinen kann. Tatsächlich scheint alles in Ordnung zu sein, bis es zu einem katastrophalen Ausfall kommt: Maschinen gehen auseinander, Brücken knicken ein, Motoren von Seeschiffen versagen, Zahnfüllungen fallen heraus.

Für dieses Experiment untersuchten die Forscher einen Nickelfilm auf einer Glimmeroberfläche. Sie konzentrierten sich auf den Beginn der Korrosion – den Punkt, an dem sich die Metalloberfläche aufzulösen beginnt. Sie stellten fest, dass der Abbau des Materials nicht gleichmäßig erfolgte. Vielmehr kam es in bestimmten Bereichen – Stellen, an denen es wahrscheinlich zu Mikrorissen und anderen Oberflächendefekten kam – zu intensiver lokaler Korrosion, die zum plötzlichen Auftreten von Löchern führte.

„Es ist sehr anisotrop“, sagte Israelachvili und erklärte, dass selbst innerhalb der Spalten in der Nähe der Öffnung andere Dinge passieren als tief im Inneren der Spalte. „Da eine Diffusion stattfindet, beeinflusst sie die Geschwindigkeit, mit der sich das Metall sowohl in als auch aus dem Spalt auflöst. Es ist ein sehr komplexer Prozess.“

„Der erste Schritt im Korrosionsprozess ist normalerweise sehr wichtig, da er zeigt, dass die schützende Oberflächenschicht abgebaut ist und das darunter liegende Material der Lösung ausgesetzt ist“, sagte Dobbs. Von dort aus, so die Forscher, breitet sich die Korrosion von den Gruben aus oft schnell aus, da das darunter liegende Material nicht so beständig gegen die korrosive Flüssigkeit sei.

„Einer der wichtigsten Aspekte unserer Entdeckung ist die Bedeutung der elektrischen Potentialdifferenz zwischen dem interessierenden Film und der gegenüberliegenden Oberfläche für die Auslösung von Korrosion“, fügte Kristiansen hinzu. Wenn die elektrische Potentialdifferenz einen bestimmten kritischen Wert erreicht, ist es umso wahrscheinlicher, dass Korrosion beginnt und sich die Korrosion umso schneller ausbreitet. In diesem Fall erfuhr der Nickelfilm Korrosion, während der chemisch inerte Glimmer intakt blieb.

„Wir haben diesen interessanten Effekt bereits bei anderen metallischen und nichtmetallischen Materialien gesehen“, sagte Dobbs. „Wir haben einige Puzzleteile, aber wir versuchen immer noch, den vollständigen Mechanismus dieses Phänomens zu entschlüsseln.“

Diese Erforschung von Echtzeit-Korrosionsmechanismen im Mikro- und Nanomaßstab liefert wertvolle Informationen, auf denen die Wissenschaftler aufbauen können und die zu Modellen und Vorhersagen darüber führen können, wie und wann Materialien in geschlossenen Räumen wahrscheinlich korrodieren.

„Im Grunde geht es darum, die Lebensdauer von Metallen und Geräten zu verlängern“, sagte Israelachvili. Besonders heutzutage, wo Geräte sehr klein sein können und man sie sogar in das Gehäuse einbauen kann, fügte er hinzu, werde das Verständnis, wie man korrosionsanfällige Oberflächen richtig schützt, die Notwendigkeit verringern, sie aufgrund von Beschädigungen auszutauschen.

Umgekehrt wäre es auch von Vorteil zu verstehen, wie die Auflösung dort beschleunigt werden kann, wo es angebracht wäre, beispielsweise bei nicht-traditionellen Zementen (z. B. Alumosilikat), die weniger Kohlendioxid produzieren.

„Ein wichtiger Schritt bei der Zementbildung ist die Auflösung der Hauptbestandteile des Zements, Siliciumdioxid und Aluminiumoxid, die sehr langsam ist und stark ätzende Bedingungen erfordert, die für die Verwendung in der Massenproduktion unsicher sind“, sagte Dobbs. „Eine Verbesserung der Auflösungsrate bei gleichzeitiger Vermeidung der Notwendigkeit unsicherer, ätzender Lösungen würde ein technologisches Hindernis bei der Verwendung nicht-traditioneller Zemente beseitigen.“

Mehr Informationen: C. Merola et al. In situ nano- bis mikroskopische Bildgebung und Wachstumsmechanismus der elektrochemischen Auflösung (z. B. Korrosion) einer begrenzten Metalloberfläche, Proceedings of the National Academy of Sciences (2017). DOI: 10.1073/pnas.1708205114

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