研究者は、発生する隙間や孔食をナノスケールで垣間見ることができます。

2017 年 9 月 14 日

カリフォルニア大学サンタバーバラ校、ソニア・フェルナンデス著

車からボート、地下パイプ、さらには歯の詰め物に至るまで、金属でできたほぼすべてのものに何が影響するのでしょうか? 腐食 - ゆっくりとした腐敗のプロセス。 年間数兆ドルという世界規模の費用がかかり、安全性、環境、健康に潜在的な危険をもたらすことは言うまでもなく、高額な代償が伴います。

「腐食は非常に長い間大きな問題でした」とカリフォルニア大学サンタバーバラ校の化学工学教授ジェイコブ・イララハヴィリ氏は言う。 特に狭い空間（機械部品間の薄い隙間、ハードウェアと金属板の間の接触領域、シールの裏側やガスケットの下、2つの表面が接する継ぎ目）では、このような電気化学的溶解を詳しく観察することは非常に困難であった、と同氏は付け加えた。

もうない。

Israelachvili が開発した Surface Forces Apparatus (SFA) と呼ばれる装置を使用して、彼と研究チームは隙間腐食と孔食のプロセスを調査し、限定された表面の腐食プロセスをリアルタイムで観察することができました。 この研究は、UCSBの大学院生ハワード・ドブス氏とプロジェクトサイエンティストのカイ・クリスチャンセン氏、およびデュッセルドルフのアイゼンフォルシュング・マックス・プランク研究所の同僚らとともに行われ、米国科学アカデミー紀要に掲載された。

「SFA を使用すると、対象の金属膜の厚さを正確に決定し、腐食の進行に伴う経時的な変化を追跡することができます」とクリスチャンセン氏は述べています。 研究者らの設定により、溶液の塩組成、温度、ニッケル表面の電位を制御することもできました。

隙間腐食や孔食は、海にさらされた古い船の船体に見られるような広範囲にわたる表面の錆ではありません。 これらはむしろ激しい局所的な攻撃であり、目に見える劣化は一見軽微に見える場合があります。 実際、機械が壊れたり、橋が座屈したり、船のエンジンが故障したり、歯の詰め物が抜け落ちたりするなど、致命的な故障が起こるまでは物事は順調に見えます。

この実験のために、研究者らは雲母表面に対するニッケル膜を研究しました。 彼らは、腐食の開始、つまり金属表面が溶解し始める点に焦点を当てました。 彼らは、材料の分解が均一には起こらないことを観察しました。 むしろ、特定の領域、つまり微小な亀裂やその他の表面欠陥がある可能性が高い場所では、激しい局部腐食が発生し、その結果、突然ピットが出現します。

「これは非常に異方性です」とイスラエルハヴィリ氏は述べ、隙間の中でも開口部付近と隙間の奥では異なることが起こっていると説明した。 「拡散が起こっているので、金属が隙間の内外で溶解する速度に影響します。これは非常に複雑なプロセスです。」

「腐食プロセスの最初のステップは、通常、非常に重要です。なぜなら、このステップにより、表面の保護層が破壊され、その下にある材料が溶液にさらされていることを知ることができるからです」とドブス氏は述べた。 研究者らによると、下にある材料は腐食性流体に対してそれほど耐性がないため、腐食はピットから広がり、多くの場合急速に広がります。

「我々の発見の最も重要な側面の一つは、腐食を開始する際の対象となる膜と隣接する表面との間の電位差の重要性である」とクリスチャンセン氏は付け加えた。 電位差が特定の臨界値に達すると、腐食が始まる可能性が高くなり、腐食がより早く広がります。 この場合、ニッケル膜は腐食を受けましたが、より化学的に不活性な雲母はそのまま残りました。

「この興味深い効果は、他の金属および非金属材料で以前にも見られました」とドブス氏は語った。 「パズルのピースはいくつかありますが、この現象の完全なメカニズムを解明することはまだ模索中です。」

リアルタイムのマイクロおよびナノスケールの腐食メカニズムに関するこの研究は、科学者がそれに基づいて構築できる貴重な情報を提供し、それが閉鎖空間内の材料がいつどのように腐食する可能性があるかのモデルや予測につながる可能性があります。

「基本的には、金属や機器の寿命を延ばすことが重要だ」とイスラエルラハヴィリ氏は語った。 特に最近では、デバイスが非常に小さくなり、体内に取り付けることもできるため、腐食しやすい表面を適切に保護する方法を理解することで、損傷によるデバイスの交換の必要性が減ると同氏は付け加えた。

逆に、二酸化炭素の生成が少ない非従来型（アルミノシリカなど）セメントなど、適切な場合に溶解を促進する方法を理解することも有益です。

「セメント形成における重要なステップは、セメントの主成分であるシリカとアルミナの溶解です。これは非常に時間がかかり、大規模生産での使用には安全ではない高度な苛性条件が必要です」とドブス氏は述べた。 「安全でない苛性溶液の必要性を回避しながら溶解速度を向上させることは、非伝統的なセメントの導入における技術的障壁を取り除くことになるでしょう。」

詳しくは： C.メローラら。 閉じ込められた金属表面の電気化学的溶解 (例、腐食) の in situ ナノから顕微鏡イメージングおよび成長メカニズム、米国科学アカデミー紀要 (2017)。 DOI: 10.1073/pnas.1708205114

雑誌情報:米国科学アカデミーの議事録

カリフォルニア大学サンタバーバラ校提供