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揭秘:腐蝕問題的核心

2015-03-27 11:25:44 作者：李玲珊來源：

　　任何一個生活在冬季多雪城鎮(zhèn)又有過車的人，或是在咸咸的海水中有一艘船的人，都能為你解釋腐蝕問題會帶來多么大的經濟損失。

　　腐蝕是世界上最普通卻造成經濟損失最大的化學反應之一，頻繁地在水和金屬表面之間的界面上發(fā)生。過去，對腐蝕過程的研究，是從化學反應方程式金屬這一側開始的。

發(fā)生腐蝕的金屬表面

　　然而，在一項新的研究中，美國能源部納米材料中心的阿爾貢國家實驗室從化學反應方程式的另一側進行了腐蝕問題的研究，研究溶解在金屬表面附近區(qū)域離子所在水溶液的動力學行為。

　　阿爾貢國家實驗室材料科學家Subramanian Sankaranarayanan帶領的研究團隊在原子層面模擬了水溶液中溶解的離子在腐蝕金屬氧化物表面過程中的物理和化學動力作用。Sankaranarayanan說“水性溶液在金屬或其氧化物表面的反應和其自身發(fā)生的反應大不一樣。但是，水中化學離子是如何同金屬或其氧化物表面發(fā)生的相互作用，已經成為一個爭論激烈的領域”

　　低氯條件下，因為水分子中氫鍵強的影響，水容易在固體界面處形成二維有序的水層。然而，研究人員發(fā)現(xiàn)增加氯離子的比例至特定臨界值，金屬或其氧化物表面附近的溶液就會發(fā)生變化，失去有序的本來性質，開始像遠離金屬或其氧化物表面的水分子那樣運動。反過來，這種轉變，使材料腐蝕速率和溶液冰點升高。

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　　這種在有序和無序結構之間的轉變，發(fā)生在金屬表面，發(fā)生得太快，需要的時間比十億分之一秒還要短。化學反應的速度的研究，須運用高性能計算機，如阿爾貢國家實驗室的Blue/Gene Q巨型計算機Mira。

　　為運用高性能計算機進一步研究這些電化學氧化物，Sankaranarayanan和他來自阿爾貢國家實驗室、哈佛大學和密蘇里大學的同事們也獲得了巨型計算機Mira 4000萬處理器小時數(shù)。

　　Sankaranarayanan說“我們具備了以更加強大的模擬實驗來研究這些反應的能力，將會有更多的依據(jù)，有機會推測出不同情況下的腐蝕速率。”這些研究將會首次開啟腐蝕作用的基礎研究，將允許科學家們調整材料表面以提高其穩(wěn)定性和材料的使用壽命。

　　這項工作是由美國能源部科學辦公室資助的，研究成果發(fā)表在Physical Review E期刊2013年12月11版的一篇文章中，文章題為“在水和金屬氧化物表面，氯離子誘發(fā)有序和無序結構之間的轉變”（ "Chloride ions induce order-disorder transition at water-oxide interfaces"）。該文章的協(xié)同作者有密蘇里大學的Ganesh Kamath和阿爾貢國家實驗室的Sanket Deskmukh。

　　阿爾貢國家實驗室為科學技術領域亟待解決的國家發(fā)展問題尋找解決辦法。作為美國第一個國家級實驗室，阿爾貢國家實驗室進行著幾乎每個科學學科涉及到的尖端基礎和應用科學研究。阿爾貢國家實驗室的研究人員同來自百家企業(yè)、大學、聯(lián)邦、各州和地方各市的相關機構合作密切，幫助他們解決他們遇到的具體問題，提升美國科學領導力，為國家邁向美好的明天奠定基礎。阿爾貢國家實驗室擁有的雇員來自60多個國家，由芝加哥大學UChicago Argonne, LLC管理，為美國能源部科學辦公室工作。

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　　阿爾貢國家實驗室納米材料中心是美國能源部下屬的五個納米科學研究中心之一，由美國能源部科學辦公室支持，最初供國家使用，用于納米跨學科研究。同時，納米科學研究中心擁有一整套配套設施，為研究人員提供最先進的功能，用于制造、加工、描繪和塑造納米材料，是國家納米技術研發(fā)方面最大的基礎設施投資。五個納米科學研究中心分別是美國能源部下屬的位于布魯克海文（美國密西西比州西南部城鎮(zhèn)）的阿爾貢國家實驗室、勞倫斯伯克利國家實驗室、橡樹嶺國家實驗室（橡樹嶺：美國田納西州東部城市）、桑迪亞國家實驗室和洛斯阿拉莫斯國家實驗室（洛斯阿拉莫斯：美國新墨西哥州中部城鎮(zhèn)）。

　　阿爾貢領導力計算設備中心是美國兩個能源部下屬的領導力計算設備中心之一，致力于科學研究。領導力計算設備中心（LCF）受到美國能源部先進科學計算研究項目的支持，包括兩個中心，一個是在阿爾貢國家實驗室，另一個是在橡樹嶺國家實驗室；部署了兩個不同的高性能計算體系結構，這兩個結構比專門用于科學研究的系統(tǒng)還要強大10-100倍。LCF為科學工程研究人員提供世界一流的計算能力，促進更多基礎科學發(fā)現(xiàn)的出現(xiàn)，提升人們對不同科學學科在更廣范圍內的理解程度。

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