24 Октября 2017

Новый подход улучшает способность прогнозировать реакцию металлов с водой.

Исследователи из Университета штата Орегон и Калифорнийского университета в Беркли разработали новый вычислительный метод, который объединяет два метода для ускорения прогнозов, менее дорогостоящих и более эффективных.

Выводы, опубликованные в Nature Communications, могут иметь широкий спектр применений, в том числе при проектировании мостов и авиационных двигателей, оба из которых подвержены коррозии.

Каждый металл, за исключением драгоценных металлов, таких как золото и серебро, реагирует с водой, сказал Дуг Кеслер, известный профессор химии в Колледже наук штата Орегон.

Традиционно отмечали, что при рассмотрении металлов, растворенных в воде, химическое предположение заключалось в том, что металл растворяется, образуя простую соль. Однако это не всегда происходит.

«Во многих случаях он первоначально растворяется в образовании сложного кластера, который содержит много атомов металла», - сказал он. «Теперь мы можем предсказать типы кластеров, которые существуют в решении, что способствует пониманию растворения металлов с вычислительной точки зрения».

Изучение водных металлических оксидов и гидроксидных кластеров из элементов группы алюминия, галлия, индия и таллия - ученые провели квантово-механические расчеты с подходом «групповой аддитивности» для создания диаграмм Пурбайса, золотого стандарта для описания растворенных металлических частиц в воде.

«Применяя этот новый подход, мы приходим к количественной оценке стабильности кластеров как функции рН и концентрации», - сказал соавтор исследования Пол Ха-Йон Чонг, профессор химии ОГУ.

Понимание кластеров имеет решающее значение из-за той роли, которую они играют в химических процессах, начиная от биоминерализации и осаждения растворов тонких пленок для электроники. И характерная коррозия связана с возможностью отображения стабильных фаз металлов в воде.

«Если вы проектируете новую сталь для моста, например, вы хотели бы включить потенциал коррозии в процесс расчета, - сказал Кеслер. «Или, если у вас есть новый металл для авиационного двигателя, вы бы хотели определить, будет ли он разъедаться».

Эти примеры не просто гипотетические. Только прошлым летом японская авиакомпания должна была обновить все 100 двигателей Rolls-Royce на своем флоте Boeing 787 Dreamliners после серии сбоев, вызванных коррозией и растрескиванием лопаток турбин. Двигатели продают по 20 миллионов долларов каждый.

«Большинство диаграмм Pourbaix не включают эти металлические кластеры, и поэтому наше понимание растворения и реакции металла с водой отсутствует», - говорит соавтор исследования Кристин А. Перссон, профессор материаловедения в Калифорнийском университете в Беркли. «Мы теперь раскрыли быстрый и точный формализм для моделирования этих кластеров в компьютере, что изменит наши способности, чтобы предсказать, как металлы реагируют в воде».