I ricercatori della LLNL svelano nuove informazioni sul ruolo dell'umidità nella corrosione dell'alluminio utilizzando il supercomputer Ruby

Dec 09, 2023

7 giugno 2023

7 giugno 2023 - Gli scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno eseguito simulazioni utilizzando il supercomputer Ruby del laboratorio per scoprire meccanismi fisici che spiegano perché l'umidità controlla il tasso di corrosione atmosferica dell'alluminio metallico. La loro ricerca è pubblicata sull'ACS Journal of Applied Materials and Interfaces.

Le previsioni accurate sulla durata dei componenti in alluminio dipendono dalle valutazioni dei tassi di corrosione. I modelli su scala ingegneristica utilizzati per fare previsioni sulla durata a livello di sistema sono espressi in termini di meccanismi fisici e chimici accoppiati tra cui assorbimento, trasporto e reazioni chimiche. Questi meccanismi sono intrinsecamente multiscala, il che complica sia lo sviluppo della forma del modello che la calibrazione.

La velocità della corrosione atmosferica dell'alluminio dipende dall'umidità relativa, che misura la quantità di acqua presente sotto forma di vapore attorno alla parte. Comprendere quali processi danno origine a questi effetti di velocità può aiutare a limitare la forma dei modelli ingegneristici di durata in termini di parametri fisici fondamentali.

Quando le superfici di alluminio nudo sono esposte all'aria, reagiscono rapidamente per formare ossido di alluminio. Il vapore acqueo nell'aria umida circostante viene quindi adsorbito su queste superfici di ossido formando una pellicola nanoscopica il cui spessore dipende dall'umidità relativa. L’acqua superficiale condensata fornisce un mezzo attraverso il quale gli ioni metallici si dissolvono e si muovono attraverso la diffusione, il che è importante nella formazione e nella crescita dei pozzi di corrosione, ma le dimensioni nanoscopiche confinate possono indurre effetti insoliti.

Per comprendere meglio come si comportano gli ioni di alluminio sotto confinamento in acqua sulle superfici, il team si è rivolto a simulazioni di dinamica molecolare (MD) di tutti gli atomi per ottenere approfondimenti. MD fa relativamente poche ipotesi riguardo al modo in cui gli atomi interagiscono e simula direttamente una traiettoria di movimenti atomici che può essere post-elaborata per ottenere dati sulle proprietà dei materiali.

"Poiché il trasporto diffusivo è un processo relativamente lento, abbiamo dovuto selezionare attentamente come modellare le interazioni atomiche", ha affermato lo scienziato della LLNL Matt Kroonblawd, coautore dello studio. "La dinamica molecolare reattiva classica offre un compromesso desiderabile tra accuratezza e scale temporali accessibili. L'utilizzo di MD reattiva significava che non avevamo bisogno di assumere la struttura delle specie acquose di alluminio o la chimica specifica della superficie dell'ossido."

Dalle loro simulazioni, il team ha osservato che gli ioni di alluminio tendono a localizzarsi vicino all’interfaccia aria-acqua ed erano completamente assenti vicino all’ossido. Questo fenomeno è stato attribuito sia alla polarizzazione superficiale del film d'acqua che alla fase rigida dell'acqua simile al ghiaccio che si forma vicino alla superficie dell'ossido.

L'interazione tra questi due fenomeni interfacciali ha prodotto proprietà di trasporto dipendenti dall'altezza all'interno del film d'acqua. Gli atomi si diffondono molto lentamente vicino all'interfaccia dell'ossido e hanno una diffusività crescente man mano che ci si avvicina all'interfaccia aria-acqua. Lo spessore dell’acqua superficiale dipende dall’umidità relativa, che correla questi effetti di confinamento su scala nanometrica con i tassi misurati empiricamente della corrosione atmosferica dell’alluminio.

"Gli effetti di confinamento all'interno dei film d'acqua adsorbiti da ossidi sono ben documentati in letteratura, ma questa nuova visione del loro impatto diretto sul trasporto di ioni acquosi è estremamente utile per comprendere i meccanismi della corrosione atmosferica", ha spiegato lo scienziato della LLNL Jeremy Scher, autore principale dello studio. lo studio.

Le conseguenze del confinamento su scala nanometrica sui tassi di corrosione sono diventate chiaramente evidenti quando il team ha ampliato i risultati MD alla scala continua. È stato sviluppato un modello continuo unidimensionale riduzionista di un pozzo di corrosione dell'alluminio, che incorporava i coefficienti di diffusione ionica calcolati dalle simulazioni MD. Questo semplice modello ha dimostrato che i tassi di corrosione possono essere limitati dalla diffusione in condizioni atmosferiche e sono quindi fortemente influenzati dall'umidità relativa.

"I risultati di questo studio evidenziano quanto sia essenziale catturare effetti insoliti su scala nanometrica e la loro dipendenza dall'umidità quando si modella la corrosione atmosferica su scale di lunghezza più grandi", ha affermato Scher.