揭秘:腐蚀问题的核心

2015-03-27 11:25:44 作者：李玲珊来源：

　　任何一个生活在冬季多雪城镇又有过车的人，或是在咸咸的海水中有一艘船的人，都能为你解释腐蚀问题会带来多么大的经济损失。

　　腐蚀是世界上最普通却造成经济损失最大的化学反应之一，频繁地在水和金属表面之间的界面上发生。过去，对腐蚀过程的研究，是从化学反应方程式金属这一侧开始的。

发生腐蚀的金属表面

　　然而，在一项新的研究中，美国能源部纳米材料中心的阿尔贡国家实验室从化学反应方程式的另一侧进行了腐蚀问题的研究，研究溶解在金属表面附近区域离子所在水溶液的动力学行为。

　　阿尔贡国家实验室材料科学家Subramanian Sankaranarayanan带领的研究团队在原子层面模拟了水溶液中溶解的离子在腐蚀金属氧化物表面过程中的物理和化学动力作用。Sankaranarayanan说“水性溶液在金属或其氧化物表面的反应和其自身发生的反应大不一样。但是，水中化学离子是如何同金属或其氧化物表面发生的相互作用，已经成为一个争论激烈的领域”

　　低氯条件下，因为水分子中氢键强的影响，水容易在固体界面处形成二维有序的水层。然而，研究人员发现增加氯离子的比例至特定临界值，金属或其氧化物表面附近的溶液就会发生变化，失去有序的本来性质，开始像远离金属或其氧化物表面的水分子那样运动。反过来，这种转变，使材料腐蚀速率和溶液冰点升高。

#p#副标题#e#

　　这种在有序和无序结构之间的转变，发生在金属表面，发生得太快，需要的时间比十亿分之一秒还要短。化学反应的速度的研究，须运用高性能计算机，如阿尔贡国家实验室的Blue/Gene Q巨型计算机Mira。

　　为运用高性能计算机进一步研究这些电化学氧化物，Sankaranarayanan和他来自阿尔贡国家实验室、哈佛大学和密苏里大学的同事们也获得了巨型计算机Mira 4000万处理器小时数。

　　Sankaranarayanan说“我们具备了以更加强大的模拟实验来研究这些反应的能力，将会有更多的依据，有机会推测出不同情况下的腐蚀速率。”这些研究将会首次开启腐蚀作用的基础研究，将允许科学家们调整材料表面以提高其稳定性和材料的使用寿命。

　　这项工作是由美国能源部科学办公室资助的，研究成果发表在Physical Review E期刊2013年12月11版的一篇文章中，文章题为“在水和金属氧化物表面，氯离子诱发有序和无序结构之间的转变”（ "Chloride ions induce order-disorder transition at water-oxide interfaces"）。该文章的协同作者有密苏里大学的Ganesh Kamath和阿尔贡国家实验室的Sanket Deskmukh。

　　阿尔贡国家实验室为科学技术领域亟待解决的国家发展问题寻找解决办法。作为美国第一个国家级实验室，阿尔贡国家实验室进行着几乎每个科学学科涉及到的尖端基础和应用科学研究。阿尔贡国家实验室的研究人员同来自百家企业、大学、联邦、各州和地方各市的相关机构合作密切，帮助他们解决他们遇到的具体问题，提升美国科学领导力，为国家迈向美好的明天奠定基础。阿尔贡国家实验室拥有的雇员来自60多个国家，由芝加哥大学UChicago Argonne, LLC管理，为美国能源部科学办公室工作。

#p#副标题#e#

　　阿尔贡国家实验室纳米材料中心是美国能源部下属的五个纳米科学研究中心之一，由美国能源部科学办公室支持，最初供国家使用，用于纳米跨学科研究。同时，纳米科学研究中心拥有一整套配套设施，为研究人员提供最先进的功能，用于制造、加工、描绘和塑造纳米材料，是国家纳米技术研发方面最大的基础设施投资。五个纳米科学研究中心分别是美国能源部下属的位于布鲁克海文（美国密西西比州西南部城镇）的阿尔贡国家实验室、劳伦斯伯克利国家实验室、橡树岭国家实验室（橡树岭：美国田纳西州东部城市）、桑迪亚国家实验室和洛斯阿拉莫斯国家实验室（洛斯阿拉莫斯：美国新墨西哥州中部城镇）。

　　阿尔贡领导力计算设备中心是美国两个能源部下属的领导力计算设备中心之一，致力于科学研究。领导力计算设备中心（LCF）受到美国能源部先进科学计算研究项目的支持，包括两个中心，一个是在阿尔贡国家实验室，另一个是在橡树岭国家实验室；部署了两个不同的高性能计算体系结构，这两个结构比专门用于科学研究的系统还要强大10-100倍。LCF为科学工程研究人员提供世界一流的计算能力，促进更多基础科学发现的出现，提升人们对不同科学学科在更广范围内的理解程度。

附件：