Eine neue Methode zur Vorhersage von Korrosionsraten

Die meisten Metalllegierungen sind anfällig für Korrosion, die allein in den USA jährlich Hunderte von Milliarden Dollar an Schäden verursacht. Die genaue Vorhersage von Korrosionsraten ist ein langjähriges Ziel der Korrosionswissenschaft, aber diese Raten hängen stark von der spezifischen Betriebsumgebung ab. Auf atomarer Ebene hängen diese Umweltfaktoren damit zusammen, wie schnell und einfach sich Metallionen auflösen und über Fest-Flüssig-Grenzflächen transportieren.

Wissenschaftler des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) haben Molekulardynamiksimulationen verwendet, um das dynamische Verhalten von gelösten Metallionen und Wasser aufzudecken und zu beschreiben – eine Schlüsselkomponente dieses Korrosionspuzzles. Sie führten eine neue Methodik ein, um die Stärke und Art der chemischen Bindung zwischen sich schnell bewegenden Ionen in Lösung zu beschreiben. Diese Ionen sind von eng zusammengehaltenen Wassermolekülen in der sogenannten Hydrathülle umgeben, die dynamisch auf eine Weise schwankt, die rechnerisch analysiert werden kann. Die Autoren stellten ein Rezept vor, wie diese Schwankungen quantifiziert werden könnten, um schließlich rechnerische „Deskriptoren“ für die Neigung von Metallen zu entwickeln, sich in rauen Umgebungen aufzulösen. Die Forschung erscheint in in The Journal of Physical Chemistry Letters.

Über die Korrosion hinaus diktieren Schwankungen in der Hydratationshülle kritische Prozesse in Grenzflächenphänomenen, die für eine breite Palette von Anwendungen relevant sind, einschließlich Wasserentsalzung und Kristallisation sowie elektrochemische Energiespeicherung und -umwandlung.

Das Team entwickelte drei Metriken, um die dynamische Weichheit von Ionenhydrathüllen in Bezug auf ihre Steifigkeit, Verformbarkeit und Fließfähigkeit darzustellen.

„Die direkte Simulation des Ionentransports über heterogene Grenzflächen bleibt eine technische Herausforderung“, sagte LLNL-Materialwissenschaftler Stephen Weitzner, Hauptautor der Veröffentlichung. „In vielen Fällen müssen wir die Auswirkungen unterschiedlicher Umgebungsbedingungen auf Ionentransportprozesse schnell und genau vergleichen, aber aktuelle Simulationsstrategien können für Hochdurchsatzstudien zu ressourcenintensiv sein eine schnelle und intuitive Möglichkeit, die relevanten chemischen Merkmale zu vergleichen.

„Unsere Analyse hat gezeigt, dass der neue Satz dynamischer Metriken nicht nur wichtige physikalische Verhaltensweisen korrekt kodiert, sondern auch Trends im Ionenverhalten erklären kann, die mit herkömmlichen statischen Deskriptoren schwer zu klassifizieren waren.“

Weitzner fügte hinzu, dass die Metriken nicht nur die Beschreibung und Diskussion der Ionentransportkinetik unterstützen, sondern auch nützliche Ziele für die Entwicklung von auf maschinellem Lernen basierenden Kraftfeldern bieten, die zukünftige Simulationen der Metallionenauflösung und -transportraten ohne Genauigkeitsverlust dramatisch beschleunigen könnten.

Andere Livermore-Forscher sind Tuan Anh Pham, Christine Orme, S. Roger Qiu und Brandon Wood.