Pesquisadores do LLNL revelam novos insights sobre o papel da umidade na corrosão do alumínio usando o supercomputador Ruby

Jan 12, 2024

7 de junho de 2023

7 de junho de 2023 - Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) realizaram simulações usando o supercomputador Ruby do laboratório para descobrir mecanismos físicos que explicam por que a umidade controla a taxa de corrosão atmosférica do metal alumínio. Sua pesquisa é apresentada no ACS Journal of Applied Materials and Interfaces.

Previsões precisas da vida útil dos componentes de alumínio dependem de avaliações das taxas de corrosão. Os modelos em escala de engenharia usados ​​para fazer previsões de tempo de vida em nível de sistema são expressos em termos de mecanismos físicos e químicos acoplados, incluindo sorção, transporte e reações químicas. Esses mecanismos são inerentemente multiescala, o que complica o desenvolvimento e a calibração da forma do modelo.

As taxas de corrosão atmosférica do alumínio dependem da umidade relativa, que mede a quantidade de água presente como vapor ao redor da peça. Compreender quais processos dão origem a esses efeitos de taxa pode ajudar a restringir a forma de modelos de tempo de vida de engenharia em termos de parâmetros físicos fundamentais.

Quando superfícies de alumínio nuas são expostas ao ar, elas reagem rapidamente para formar óxido de alumínio. O vapor de água no ar úmido circundante adsorve-se a essas superfícies de óxido formando um filme nanoscópico cuja espessura depende da umidade relativa. A água superficial condensada fornece um meio para que os íons metálicos se dissolvam e se movam por difusão, o que é importante na formação e crescimento de poços de corrosão, mas as dimensões nanoscópicas confinadas podem induzir efeitos incomuns.

Para entender melhor como os íons de alumínio se comportam sob confinamento em água nas superfícies, a equipe recorreu a simulações de dinâmica molecular (MD) de todos os átomos para obter informações. MD faz comparativamente poucas suposições sobre como os átomos interagem e simula diretamente uma trajetória de movimentos atômicos que podem ser pós-processados ​​para obter dados de propriedade do material.

“Como o transporte difusivo é um processo comparativamente lento, tivemos que selecionar cuidadosamente como modelar as interações atômicas”, disse o cientista do LLNL Matt Kroonblawd, coautor do estudo. "A dinâmica molecular reativa clássica oferece um equilíbrio desejável entre precisão e escalas de tempo acessíveis. Usar MD reativo significava que não precisávamos assumir a estrutura das espécies aquosas de alumínio ou a química específica da superfície do óxido."

A partir de suas simulações, a equipe observou que os íons de alumínio tendem a se localizar perto da interface ar-água e estavam completamente ausentes perto do óxido. Este fenômeno foi atribuído tanto à polarização da superfície do filme de água quanto à fase rígida de gelo da água que se forma perto da superfície do óxido.

A interação entre esses dois fenômenos interfaciais resultou em propriedades de transporte dependentes da altura dentro do filme de água. Os átomos se difundem muito lentamente perto da interface do óxido e têm difusividade crescente à medida que a interface ar-água se aproxima. A espessura da água da superfície depende da umidade relativa, que correlaciona esses efeitos de confinamento em nanoescala com taxas medidas empiricamente para a corrosão atmosférica do alumínio.

"Os efeitos de confinamento em películas de água adsorvidas por óxidos são bem documentados na literatura, mas essa nova visão sobre seu impacto direto no transporte de íons aquosos é tremendamente útil para entender os mecanismos da corrosão atmosférica", explicou o cientista do LLNL Jeremy Scher, principal autor do livro o estudo.

As consequências do confinamento em nanoescala nas taxas de corrosão tornaram-se claramente aparentes quando a equipe aumentou seus resultados de MD para a escala contínua. Foi desenvolvido um modelo reducionista contínuo unidimensional de um poço de corrosão de alumínio, que incorporou os coeficientes de difusão de íons calculados a partir das simulações MD. Este modelo simples mostrou que as taxas de corrosão podem ser limitadas por difusão sob condições atmosféricas e, portanto, fortemente influenciadas pela umidade relativa.

“Os resultados deste estudo destacam como é essencial capturar efeitos incomuns em nanoescala e sua dependência da umidade ao modelar a corrosão atmosférica em escalas de comprimento maiores”, disse Scher.