La química de las superficies revela los secretos de la corrosión
Las mediciones precisas son la lente molecular para ver la química
Se puede ver fácilmente a simple vista que dejar un clavo viejo al aire libre en la lluvia provoca óxido. Lo que sí requiere la aguda mirada y el sensible olfato de la microscopía y la espectroscopia es observar cómo el hierro se corroe y forma nuevos minerales, especialmente en agua con una pizca de sodio y calcio.
El hierro pulido expuesto a soluciones electrolíticas se degradará y formará películas de carbonato de hierro y carbonato de calcio cuando se exponga al oxígeno y a una mezcla heterogénea de plaquetas.
Mikhail Trought, Perrine group. Reprinted with permission from The Journal of Physical Chemistry A. Copyright 2021 American Chemical Society.
Gracias a una nueva técnica desarrollada por químicos de la Universidad Tecnológica de Michigan, las etapas iniciales de este proceso pueden estudiarse con mayor detalle mediante el análisis de superficies. El equipo, dirigido por Kathryn Perrine, profesora adjunta de química, ha publicado recientemente su último trabajo en The Journal of Physical Chemistry A.
El principal hallazgo del grupo es que el catión de la solución -los iones de sodio o calcio con carga positiva- influye en el tipo de películas de carbonato que crecen cuando se exponen al aire, compuesto por oxígeno y dióxido de carbono atmosféricos. La exposición gradual del oxígeno y el dióxido de carbono produce películas de carbonato específicas para el catión. Los hidróxidos de hierro de diferentes formas y morfologías son, sin la exposición gradual al aire, no específicos del catión.
Una mejor comprensión de este proceso y de la rapidez con que se forman los minerales abre posibilidades de control de la captura de dióxido de carbono, de los subproductos de la calidad del agua y de la mejora de la gestión de las infraestructuras de puentes y tuberías antiguas.
Las metodologías se vuelven interdisciplinarias
Aunque el óxido y los minerales de hierro relacionados son una parte bien conocida de la vida en la superficie de la Tierra, los entornos en los que se forman son bastante complejos y variados. El óxido suele estar compuesto por óxidos e hidróxidos de hierro, pero la corrosión también puede dar lugar a la formación de carbonato de hierro y otros minerales. Para cada forma, es difícil comprender las mejores condiciones para prevenirla o hacerla crecer. Perrine señala los grandes problemas medioambientales, como la crisis del agua de Flint, como ejemplo de cómo algo tan simple como el óxido puede derivar tan fácilmente en reacciones posteriores más complicadas y no deseadas.
"Queremos medir y descubrir las reacciones químicas en entornos reales", afirma Perrine, y añade que su equipo se centra específicamente en la química de las superficies, las finas capas y películas donde interactúan el agua, el metal y el aire. "Tenemos que utilizar un alto nivel de sensibilidad [superficial] en nuestras herramientas de análisis para obtener la información correcta y poder decir realmente cuál es el mecanismo de la superficie y cómo se transforma [el hierro]".
El estudio de la ciencia de la superficie de los materiales es intrínsecamente interdisciplinario; desde la ciencia de los materiales hasta la geoquímica, pasando por la ingeniería civil y la química, Perrine ve su trabajo como un puente que ayuda a otras disciplinas a informar mejor sus procesos, modelos, intervenciones e innovaciones. Para ello, la investigación de su grupo requiere una gran precisión y sensibilidad.
Aunque existen otros métodos para controlar la corrosión superficial y el crecimiento de la película, el laboratorio de Perrine utiliza un enfoque de química de superficies que podría adaptarse para analizar otros procesos de reducción y oxidación en entornos complejos. En una serie de artículos, examinaron su proceso de tres etapas -evaluando los cambios en la composición del electrolito y utilizando el oxígeno y el dióxido de carbono del aire como reactivos- para observar en tiempo real la formación de los diferentes minerales observados en la interfaz aire-líquido-sólido.
Las mediciones precisas son la lente molecular para ver la química
Las técnicas de análisis que utiliza el equipo son técnicas sensibles a la superficie: espectroscopia de reflexión-absorción en el infrarrojo modulado polarizado (PM-IRRAS), espectroscopia de reflectancia total atenuada-infrarrojo por transformada de Fourier (ATR-FTIR), espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) y microscopia de fuerza atómica (AFM).
"La espectroscopia nos dice la química; la microscopia nos dice los cambios físicos", dijo Perrine. "Es realmente difícil [tomar imágenes] de estos experimentos de corrosión [en tiempo real con AFM] porque la superficie está cambiando constantemente, y la solución está cambiando durante la corrosión".
Lo que sí revelan las imágenes es una secuencia de picaduras, masticación y degradación de la superficie, conocida como corrosión, que produce sitios de nucleación para el crecimiento de minerales. La parte clave es observar las etapas iniciales en función del tiempo.
"Podemos observar la corrosión y el crecimiento de la película en función del tiempo. La [solución] de cloruro de calcio tiende a corroer la superficie más rápidamente, porque tenemos más iones de cloruro, pero también tiene un ritmo más rápido de formación de carbonato", dice Perrine, y añade que en un vídeo que grabó su laboratorio se puede ver cómo la solución de cloruro de sodio corroe la superficie del hierro gradualmente y sigue formando óxido a medida que la solución se seca.
Añade que, dado que el hierro es omnipresente en los sistemas ambientales, ralentizar y observar de cerca la formación de minerales se reduce a ajustar las variables de cómo se transforma en diferentes soluciones y la exposición al aire.
El método de catálisis superficial del equipo ayuda a los investigadores a comprender mejor la ciencia medioambiental fundamental y otros tipos de procesos superficiales. La esperanza es que su método pueda ayudar a descubrir los mecanismos que contribuyen a la contaminación del agua, a encontrar formas de mitigar el dióxido de carbono, a prevenir el derrumbe de puentes y a inspirar diseños más inteligentes y combustibles más limpios, así como a proporcionar una visión más profunda de los procesos geoquímicos de la Tierra.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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