當人們遭受墜落、碰撞或者其他一些可能引起身體創傷的沖擊時，醫生一般會對他進行全面的X射線、CT或者核磁共振成像（MRI）檢查，來確定他的身體內部是否出現了損傷。來自美國國家標準與技術研究所（NIST）的研究人員正在采用相同的原理，不過卻是采用一種更強大的形式，來檢測建筑、橋梁等結構中的腐蝕情況。腐蝕現象已經成為嚴重威脅到國家橋梁、道路和其他老化物理基礎設施內鋼結構健康的主要因素。

    美國北加利福尼亞州McAbee海灘附近的一座被遺棄的建筑物上，清晰地顯示出腐蝕現象對鋼筋混凝土結構產生的巨大破壞。NIST研發的新型評估方法采用太赫茲技術，能夠直接穿透覆蓋在鋼結構上的混凝土，并檢測出其中鋼材料的早期腐蝕情況。（圖片來源：Per Loll,Denmark）該研究團隊開發的是一種無損式的“光譜指紋”技術，該技術可以在混凝土中包裹的鋼結構性能明顯下降之前，有效地揭露其中鋼結構的腐蝕情況。這一研究成果已經發表在近期的《Applied Magnetic Resonance》期刊上。

    在水分和氧氣對鐵進行腐蝕時，根據不同的環境條件，一般會產生不同的氧化鐵產物，其中最常見的是針鐵礦和赤鐵礦。NIST物理化學家Dave Plusquellic說道：“當你在雨中放置一個錘子時，最后形成的棕色銹跡主要是針鐵礦，當鋼筋在混凝土橋面內發生腐蝕時，大部分產物則是赤鐵礦。我們根據之前一項針對針鐵礦的新研究以及關于赤鐵礦所做的相關工作可以發現，太赫茲輻射——一種電磁波，頻率比用于烹飪食物的微波頻率要高10~100倍，可以在腐蝕形成的早期階段檢測到這兩種不同的腐蝕產物”。

    目前，用于揭露腐蝕現象的成像方法主要是使用微波來記錄被腐蝕鋼結構的物理狀態變化，例如橋梁或其他結構中混凝土內鋼筋厚度的變化等。

    “但不幸的是，當檢測出這些物理狀態變化的時候，腐蝕現象已經在混凝土結構中引起了難以彌補的裂縫或者其他缺陷等”，來自NIST的物理學家Ed Garboczi說道：“大多數的微波成像法是基于與建造時采用的鋼材的基準測量值進行比較，這種做法只能追溯到25年左右。這是一個很嚴重的問題，因為美國40萬鋼筋混凝土橋梁的平均年齡是50年，遠遠超過了25年，而且其中許多鋼筋混凝土橋梁的基本資料都沒有記錄”。也就是說，微波成像法具有很大的局限性。

    的研究人員們根據針鐵礦和赤鐵礦是反鐵磁性的這一原理，研發了太赫茲波檢測方法，可以有效檢測出早期腐蝕現象。而早在2009年，NIST研究員William Egelhoff和一些磁性材料領域的先驅者就共同設計提出了反鐵磁腐蝕檢測方法的。

    在針鐵礦和赤鐵礦這些材料中，鐵原子內部的電子對是并排排列的，并且以相反的方向旋轉，使得它們可以不受外部磁場的影響。相比之下，常見的家用磁鐵內鐵原子中的電子是鐵磁性的，其以相同的方向旋轉并且會被外部磁場吸引或排斥。

    太赫茲波將擾亂電子對中某一個電子的自旋排列，并被赤鐵礦或者針鐵礦所吸收掉。Plusquellic說道：“使用毫米波檢測器我們發現，這種反鐵磁吸收現象只發生在電磁譜上太赫茲區域里的窄頻范圍內，產生特定的‘光譜指紋’，這是針鐵礦和赤鐵礦所獨有的現象，因此，我們反過來能夠判斷其是否發生了鐵腐蝕”。

    隨著現今太赫茲光源和探測器技術研究的進步，這種新型無損檢測技術將有可能在混凝土、聚合物復合材料（如工廠中的管道絕緣層）以及油漆等保護材料所包裹的鋼結構的早期腐蝕階段快速檢測出少量的含鐵氧化物。

    “在實驗室內，我們已經證明，利用一個2毫瓦的太赫茲光源能夠產生可以穿過25毫米厚混凝土結構的電磁波，并檢測出其中的赤鐵礦。”Plusquellic說道：“如果采用具有上百毫瓦的太赫茲源并搭配一個具有優異信噪比的接收器，我們產生的電磁波應該能穿透50毫米的混凝土，50毫米也是大多數鋼筋混凝土結構中覆蓋第一層鋼筋的混凝土的厚度值”。

    “據了解，NIST研究小組的下一步工作將是嘗試找出β-FeOOH物質的”光譜指紋“，β-FeOOH是鐵在氯離子存在的情況下（例如來源于海水或者是在道路除冰時灑下的鹽類物質等）發生腐蝕所形成的一種產物。Garboczi說道：”β-FeOOH會對鋼筋混凝土結構產生重大危害，其后果可能會與產生針鐵礦和赤鐵礦的腐蝕現象相當。

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責任編輯：王元

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