Pesquisadores obtêm um vislumbre em nanoescala de fendas e corrosão por pites enquanto isso acontece

14 de setembro de 2017

por Sonia Fernandez, Universidade da Califórnia - Santa Bárbara

O que afeta quase tudo feito de metal, de carros a barcos a canos subterrâneos e até obturações nos dentes? Corrosão - um lento processo de decadência. A um custo global de trilhões de dólares anualmente, ele carrega um preço exorbitante, sem mencionar os riscos potenciais à segurança, ao meio ambiente e à saúde que representa.

"A corrosão tem sido um grande problema há muito tempo", disse Jacob Israelachvili, professor de engenharia química da UC Santa Barbara. Particularmente em espaços confinados - lacunas finas entre as peças da máquina, a área de contato entre o hardware e a placa de metal, atrás das vedações e sob as gaxetas, costuras onde duas superfícies se encontram - a observação atenta dessa dissolução eletroquímica foi um enorme desafio, acrescentou.

Não mais.

Usando um dispositivo chamado Surface Forces Apparatus (SFA), desenvolvido por Israelachvili, ele e sua equipe de pesquisa investigaram o processo de corrosão por fissuras e pitting e conseguiram obter uma visão em tempo real do processo de corrosão em superfícies confinadas. Conduzido com o estudante de pós-graduação Howard Dobbs e o cientista do projeto Kai Kristiansen, da UCSB, e colegas do Max-Planck-Institut für Eisenforschung, em Düsseldorf, o estudo foi publicado na revista Proceedings of the National Academy of Sciences.

"Com o SFA, podemos determinar com precisão a espessura de nosso filme de metal de interesse e acompanhar o desenvolvimento ao longo do tempo à medida que a corrosão avança", disse Kristiansen. A configuração dos pesquisadores também permitiu que eles tivessem controle da composição de sal da solução e da temperatura, bem como do potencial elétrico da superfície do níquel.

A corrosão por fissuras e pites não é o tipo de ferrugem superficial generalizada que você pode ver nos cascos de navios antigos expostos ao oceano. Em vez disso, são ataques intensos e localizados, onde a deterioração visível pode parecer enganosamente menor. Na verdade, as coisas parecem muito bem até que falham catastroficamente: máquinas quebram, pontes entortam, mau funcionamento de motores de navios, obturações dentárias caem.

Para esta experiência, os pesquisadores estudaram um filme de níquel contra uma superfície de mica. Eles se concentraram no início da corrosão – o ponto em que a superfície do metal começa a se dissolver. Eles observaram que a degradação do material não ocorreu de forma homogênea. Em vez disso, certas áreas - locais onde provavelmente havia rachaduras em microescala e outros defeitos de superfície - sofreriam corrosão local intensa, resultando no aparecimento súbito de cavidades.

"É muito anisotrópico", disse Israelachvili, explicando que, mesmo dentro das fendas, coisas diferentes estão acontecendo perto da abertura e no fundo da fenda. "Como você tem difusão ocorrendo, isso afeta a taxa na qual o metal se dissolve dentro e fora da fenda. É um processo muito complexo."

“O primeiro passo no processo de corrosão geralmente é muito importante, pois indica que qualquer camada superficial protetora foi quebrada e que o material subjacente está exposto à solução”, disse Dobbs. A partir daí, de acordo com os pesquisadores, a corrosão se espalha a partir dos poços e muitas vezes o faz rapidamente, porque o material subjacente não é tão resistente ao fluido corrosivo.

"Um dos aspectos mais importantes de nossa descoberta é o significado da diferença de potencial elétrico entre o filme de interesse e a superfície oposta no início da corrosão", acrescentou Kristiansen. Quando a diferença de potencial elétrico atinge um determinado valor crítico, é mais provável que a corrosão comece e mais rapidamente ela se espalhe. Neste caso, o filme de níquel sofreu corrosão enquanto a mica, mais quimicamente inerte, permaneceu intacta.

"Já vimos esse efeito interessante antes com outros materiais metálicos e não metálicos", disse Dobbs. “Temos algumas peças do quebra-cabeça, mas ainda estamos tentando desvendar todo o mecanismo desse fenômeno”.