氧化铝表面的透射电镜图像显示，在水蒸气中形成的钝化氧化膜由内部无定形氧化铝层和外部结晶氢氧化铝层组成。 信用：提供。
当水蒸气与金属相遇时，由此产生的腐蚀会导致机械问题，从而影响机器的性能。 通过称为钝化的过程，它还形成了一层薄薄的惰性层，作为防止进一步恶化的屏障。
无论哪种方式，反应的确切化学性质在原子水平上都不是很清楚，但由于一种称为环境透射电子显微镜（TEM）的技术，这种情况正在改变，该技术使研究人员能够直接观察分子在尽可能小的尺度上相互作用。
Thomas J. Watson 宾汉姆顿大学工程与应用科学学院沃森工程与应用科学学院）教员周广文教授自2024年加入机械工程系以来，一直在探索原子反应的秘密。他与匹兹堡大学和布鲁克海文国家实验室的合作者一起研究了金属的结构和功能特性以及制造“绿色”钢的过程。
他们的最新研究“水蒸气诱导表面钝化的原子机制”于11月发表在《科学进展》杂志上。
在**中，周和他的团队引入了水蒸气来清洁铝样品，并观察了表面反应。
这种现象是众所周知的，因为它发生在我们的日常生活中，“他说。 “但是水分子如何与铝反应形成这种钝化层呢？如果你看一下[研究]文献，关于这在原子尺度上是如何发生的，并不多。 如果我们想永远使用它，我们必须知道，因为那样我们就会有办法控制它。
他们发现了以前从未观察到的东西：除了在表面形成的氢氧化铝层外，在其下方还形成了第二层无定形层，这表明存在将氧气扩散到基材中的传输机制。
大多数腐蚀研究都集中在钝化层的生长以及它如何减缓腐蚀过程，“周说。 “在原子尺度上，我们觉得我们可以弥合知识差距。
据估计，全世界修复腐蚀的成本为每年 2 美元5万亿美元，占全球GDP的3%以上，因此开发更好的氧化管理方法将是一个经济福音。
此外，了解水分子的氢原子和氧原子如何分解与金属相互作用可能会导致清洁能源解决方案，这就是为什么美国能源部资助这项研究以及过去几周的类似项目。
如果你在重新组合时将水分解成氧气和氢气，它又是水，“他说。 “它不会受到化石燃料的污染，也不会产生二氧化碳。
由于清洁能源的影响，美国能源部在过去 15 年中定期更新每周拨款资金。
我非常感谢对这项研究的长期支持，“周说。 “对于能源设备或能源系统来说，这是一个非常重要的问题，因为你有很多金属合金被用作结构材料。
更多信息：Xiaobo Chen et al.， 水蒸气诱导表面钝化的原子机制， Science Advances （2023）. doi： 10.1126/sciadv.adh5565