更好的預(yù)測(cè)帶給你更少的損失

  腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失非常嚴(yán)重，全球可達(dá)數(shù)萬億美元計(jì)；但這個(gè)數(shù)額總有一天它會(huì)隨著新的、更好的預(yù)測(cè)金屬與水反應(yīng)方法的出現(xiàn)而明顯縮小。

  俄勒岡州立大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校的研究人員們已經(jīng)開發(fā)出一種新的計(jì)算方法，這種方法通過結(jié)合兩種技術(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)更快、成本更低和更有效地預(yù)測(cè)金屬與水反應(yīng)的能力。該研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在《Nature Communications》上，該方法可以廣泛用于各種領(lǐng)域，包括橋梁、飛機(jī)引擎的設(shè)計(jì)，這兩者都是容易受到腐蝕的結(jié)構(gòu)。

研究的目的

   “除了金、銀等貴金屬外，每種金屬都會(huì)與水發(fā)生反應(yīng)”，俄勒岡州立大學(xué)化學(xué)教授Doug Keszler科學(xué)家說。

   “我們希望預(yù)測(cè)金屬溶解和金屬與水結(jié)合的特定反應(yīng)，但不是通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定而是通過方法預(yù)測(cè)出這些反應(yīng)的產(chǎn)物是什么，”同時(shí)兼任在俄勒岡州立大學(xué)可持續(xù)化學(xué)材料中心主任Keszler說。

  金屬與水反應(yīng)的本質(zhì)揭示

  Keszler指出：

  “通常我們看到金屬溶解在水中時(shí)，我們會(huì)首先設(shè)想這個(gè)金屬溶解形成了一種簡(jiǎn)單的鹽”。

  “然而，事實(shí)上并不總是這樣。在許多情況下，它開始溶解去形成一個(gè)復(fù)雜的簇，其中包含許多金屬原子，”他又解釋道， “我們現(xiàn)在可以預(yù)測(cè)溶液中存在的簇的類型，因此可以進(jìn)一步從計(jì)算的角度去理解金屬溶解。”

  研究人員們研究了13種元素——包括鋁、鎵、銦和鋁等元素——水相的金屬氧化物和氫氧化物，科學(xué)家們將量子力學(xué)的計(jì)算方法與一種“群加性”方法結(jié)合起來創(chuàng)造出了Pourbaix圖，為水溶液中金屬的溶解態(tài)提供的黃金標(biāo)準(zhǔn)。

   “我們通過應(yīng)用這種新方法可以根據(jù)pH值和濃度量化地評(píng)價(jià)簇的穩(wěn)定性，”研究作者俄勒岡州立大學(xué)的化學(xué)教授Paul Ha-Yeon Cheong說。

  了解這種簇是至關(guān)重要的，因?yàn)樗鼈冊(cè)诨瘜W(xué)過程中扮演重要角色，它們可以從生物礦化態(tài)變成電子應(yīng)用中的溶液相-沉積薄膜。因此，描述發(fā)生腐蝕的原因源于我們首先能夠描述金屬在水中的穩(wěn)定狀態(tài)。

  研究的意義重大

  Keszler說：

  “這項(xiàng)研究工作具有非常重要的意義，例如如果你在設(shè)計(jì)一個(gè)新的鋼橋，你想在設(shè)計(jì)過程中就計(jì)算出潛在的腐蝕情況，或如果你有一個(gè)新的金屬飛機(jī)引擎，你想要確定它是否會(huì)發(fā)生腐蝕。”

  這些例子并不只是假設(shè)。就在去年夏天，日本航空公司不得不更新所有波音787夢(mèng)幻客機(jī)艦隊(duì)的100 Rolls-Royce 引擎，原因是渦輪葉片的腐蝕和開裂已經(jīng)引起了一系列的引擎故障。而用于這些引擎的花銷達(dá)2000萬美元。

革命性的技術(shù)終將引起狂潮

  “大多數(shù)的Pourbaix圖是不含有這些金屬簇的，因此我們以往缺乏對(duì)金屬溶解和與水反應(yīng)的理解，”研究的合作者加州大學(xué)伯克利分校材料科學(xué)教授Kristin A. Persson說，“但是，現(xiàn)在我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這個(gè)快速、準(zhǔn)確的用計(jì)算機(jī)模擬這些金屬簇的方法，這將改變我們預(yù)測(cè)金屬如何在水中發(fā)生反應(yīng)的能力。”

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責(zé)任編輯：王元

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