연구원들은 틈새와 공식 부식이 발생하는 것을 나노 크기로 엿볼 수 있습니다.

2017년 9월 14일

작성자: 소니아 페르난데스(Sonia Fernandez), 캘리포니아대학교-산타바바라

자동차부터 보트, 지하 파이프, 심지어 치아 충전재까지 금속으로 만들어진 거의 모든 것에 무엇이 영향을 미치나요? 부식—느린 부패 과정입니다. 매년 전 세계적으로 수조 달러의 비용이 소요되는 이 기술에는 잠재적인 안전, 환경 및 건강 위험은 말할 것도 없고 엄청난 가격표가 붙어 있습니다.

UC Santa Barbara 화학 공학 교수 Jacob Israelachvili는 "부식은 오랫동안 주요 문제였습니다."라고 말했습니다. 특히 제한된 공간(기계 부품 사이의 얇은 간격, 하드웨어와 금속판 사이의 접촉 영역, 씰 뒤와 개스킷 아래, 두 표면이 만나는 이음새)에서 이러한 전기화학적 용해를 면밀히 관찰하는 것은 엄청난 도전이었다고 그는 덧붙였습니다.

더 이상은 아닙니다.

그와 그의 연구팀은 Israelachvili가 개발한 SFA(Surface Forces Apparatus)라는 장치를 사용하여 틈새 및 공식 부식 과정을 조사하고 제한된 표면의 부식 과정을 실시간으로 관찰할 수 있었습니다. 대학원생인 Howard Dobbs와 UCSB의 프로젝트 과학자 Kai Kristiansen, 그리고 뒤셀도르프에 있는 Max-Planck-Institut für Eisenforschung의 동료들과 함께 수행한 이 연구는 Proceedings of the National Academy of Sciences에 게재되었습니다.

Kristiansen은 "SFA를 사용하면 관심 있는 금속 필름의 두께를 정확하게 결정하고 시간이 지남에 따라 부식이 진행되는 현상을 추적할 수 있습니다"라고 말했습니다. 또한 연구진의 설정을 통해 용액의 염분 조성, 온도, 니켈 표면의 전위를 제어할 수 있었습니다.

틈새 및 구멍 부식은 바다에 노출된 오래된 선박의 선체에서 볼 수 있는 광범위한 표면 녹이 아닙니다. 이는 눈에 보이는 부패가 믿을 수 없을 정도로 사소해 보일 수 있는 강력하고 국지적인 공격입니다. 실제로 기계가 부서지고, 다리가 휘어지고, 항해 선박 엔진이 오작동하고, 치과용 충전재가 떨어지는 등 치명적인 실패가 발생하기 전까지는 모든 것이 괜찮아 보입니다.

이 실험을 위해 연구원들은 운모 표면에 대한 니켈 필름을 연구했습니다. 그들은 부식이 시작되는 지점, 즉 금속 표면이 용해되기 시작하는 지점에 초점을 맞췄습니다. 그들은 물질의 분해가 균일한 방식으로 발생하지 않는다는 것을 관찰했습니다. 오히려 미세한 균열이나 기타 표면 결함이 있을 가능성이 있는 특정 영역에서는 심한 국부 부식이 발생하여 갑자기 구멍이 생길 수 있습니다.

Israelachvili는 "매우 이방성입니다."라고 말하면서 틈새 내에서도 틈새 내부와 개구부 근처에서 서로 다른 일이 일어나고 있다고 설명했습니다. "확산이 일어나기 때문에 금속이 틈새 안팎으로 용해되는 속도에 영향을 미칩니다. 이는 매우 복잡한 과정입니다."

"부식 과정의 첫 번째 단계는 일반적으로 매우 중요합니다. 왜냐하면 보호 표면층이 파괴되고 기본 재료가 용액에 노출되었음을 알려주기 때문입니다."라고 Dobbs는 말했습니다. 연구원들에 따르면, 부식은 구멍에서 확산되고 종종 매우 빠르게 진행되는데, 그 이유는 밑에 있는 물질이 부식성 유체에 대한 저항력이 없기 때문입니다.

"우리 발견의 가장 중요한 측면 중 하나는 관심 필름과 부식 시작 시 인접한 표면 사이의 전위차의 중요성입니다"라고 Kristiansen은 덧붙였습니다. 전위차가 특정 임계값에 도달하면 부식이 시작될 확률이 높아지고 부식이 더 빨리 퍼집니다. 이 경우, 화학적으로 불활성인 운모는 그대로 남아 있는 반면 니켈 필름은 부식되었습니다.

"우리는 이전에 다른 금속 및 비금속 재료에서 이러한 흥미로운 효과를 본 적이 있습니다"라고 Dobbs는 말했습니다. "우리는 몇 가지 퍼즐 조각을 갖고 있지만 여전히 이 현상의 전체 메커니즘을 풀기 위해 노력하고 있습니다."