Les chercheurs ont un aperçu à l'échelle nanométrique de la crevasse et de la corrosion par piqûres au fur et à mesure qu'elles se produisent

14 septembre 2017

par Sonia Fernandez, Université de Californie - Santa Barbara

Qu'est-ce qui affecte presque tout ce qui est fait de métal, des voitures aux bateaux en passant par les canalisations souterraines et même les obturations de vos dents ? Corrosion - un lent processus de décomposition. À un coût mondial de milliards de dollars par an, il porte un prix élevé, sans parler des risques potentiels pour la sécurité, l'environnement et la santé qu'il pose.

"La corrosion est un problème majeur depuis très longtemps", a déclaré Jacob Israelachvili, professeur de génie chimique à l'UC Santa Barbara. En particulier dans les espaces confinés - minces espaces entre les pièces de la machine, la zone de contact entre le matériel et la plaque métallique, derrière les joints et sous les joints, les joints où deux surfaces se rencontrent - l'observation attentive d'une telle dissolution électrochimique a été un énorme défi, a-t-il ajouté.

Pas plus.

À l'aide d'un appareil appelé Surface Forces Apparatus (SFA) développé par Israelachvili, lui et son équipe de recherche ont étudié le processus de crevasse et de corrosion par piqûres et ont pu obtenir un aperçu en temps réel du processus de corrosion sur des surfaces confinées. Menée avec l'étudiant diplômé Howard Dobbs et le scientifique du projet Kai Kristiansen de l'UCSB, et des collègues du Max-Planck-Institut für Eisenforschung à Düsseldorf, l'étude est publiée dans les Actes de l'Académie nationale des sciences.

"Avec le SFA, nous pouvons déterminer avec précision l'épaisseur de notre film métallique d'intérêt et suivre le développement au fil du temps à mesure que la corrosion progresse", a déclaré Kristiansen. La configuration des chercheurs leur a également permis de contrôler la composition en sel de la solution et la température, ainsi que le potentiel électrique de la surface du nickel.

La corrosion par crevasses et par piqûres n'est pas le genre de rouille de surface généralisée que vous pouvez voir sur les coques de vieux navires exposés à l'océan. Il s'agit plutôt d'attaques intenses et localisées, où la dégradation visible peut sembler faussement mineure. En fait, les choses semblent aller bien jusqu'à ce qu'elles échouent catastrophiquement : les machines se brisent, les ponts se déforment, les moteurs des navires de mer fonctionnent mal, les obturations dentaires tombent.

Pour cette expérience, les chercheurs ont étudié un film de nickel contre une surface de mica. Ils se sont concentrés sur l'initiation de la corrosion, le point auquel la surface métallique commence à se dissoudre. Ils ont observé que la dégradation du matériau ne se produisait pas de façon homogène. Au contraire, certaines zones - des endroits où il y avait probablement des fissures à l'échelle microscopique et d'autres défauts de surface - subiraient une corrosion locale intense entraînant l'apparition soudaine de piqûres.

"C'est très anisotrope", a déclaré Israelachvili, expliquant que même dans les crevasses, des choses différentes se produisent près de l'ouverture par rapport au fond de la crevasse. "Parce que la diffusion se produit, cela affecte la vitesse à laquelle le métal se dissout à la fois dans et hors de la crevasse. C'est un processus très complexe."

"La première étape du processus de corrosion est généralement très importante, car cela vous indique que toute couche de surface protectrice s'est décomposée et que le matériau sous-jacent est exposé à la solution", a déclaré Dobbs. À partir de là, selon les chercheurs, la corrosion se propage à partir des fosses et le fait souvent rapidement, car le matériau sous-jacent n'est pas aussi résistant au fluide corrosif.

"L'un des aspects les plus importants de notre découverte est l'importance de la différence de potentiel électrique entre le film d'intérêt et la surface d'apposition dans l'initiation de la corrosion", a ajouté Kristiansen. Lorsque la différence de potentiel électrique atteint une certaine valeur critique, plus la corrosion est susceptible de commencer et plus elle se propagera rapidement. Dans ce cas, le film de nickel a subi une corrosion tandis que le mica plus inerte chimiquement est resté entier.

"Nous avons déjà vu cet effet intéressant avec d'autres matériaux métalliques et non métalliques", a déclaré Dobbs. "Nous avons quelques pièces du puzzle, mais nous cherchons toujours à démêler le mécanisme complet de ce phénomène."

Cette recherche sur les mécanismes de corrosion en temps réel à l'échelle micro et nanométrique fournit des informations précieuses sur lesquelles les scientifiques peuvent s'appuyer, ce qui peut conduire à des modèles et à des prédictions sur comment et quand les matériaux dans les espaces confinés sont susceptibles de se corroder.

"Il s'agit essentiellement de prolonger la durée de vie des métaux et des appareils", a déclaré Israelachvili. Surtout de nos jours où les appareils peuvent être très petits, et vous pouvez même les mettre dans le corps, a-t-il ajouté, comprendre comment protéger correctement les surfaces sujettes à la corrosion réduira la nécessité de les remplacer en raison de dommages.

À l'inverse, comprendre comment accélérer la dissolution là où cela serait approprié serait également bénéfique, comme avec les ciments non traditionnels (par exemple, l'aluminosilice) qui produisent moins de dioxyde de carbone.

"Une étape importante dans la formation du ciment est la dissolution des principaux ingrédients du ciment, la silice et l'alumine, qui est très lente et nécessite des conditions hautement caustiques dangereuses pour une utilisation à grande échelle", a déclaré Dobbs. "Améliorer le taux de dissolution tout en évitant le besoin de solutions caustiques dangereuses supprimerait une barrière technologique dans la mise en œuvre de ciments non traditionnels."

Plus d'information: C. Merola et al. Imagerie nano à microscopique in situ et mécanisme de croissance de la dissolution électrochimique (par exemple, corrosion) d'une surface métallique confinée, Actes de l'Académie nationale des sciences (2017). DOI : 10.1073/pnas.1708205114

Informations sur la revue :Actes de l'Académie nationale des sciences

Fourni par Université de Californie - Santa Barbara