La chimie de surface révèle des secrets corrosifs

On peut facilement voir à l’œil nu que laisser un vieux clou sous la pluie provoque la rouille. Ce qui nécessite les yeux perçants et le nez sensible de la microscopie et de la spectroscopie, c’est d’observer comment le fer se corrode et forme de nouveaux minéraux, en particulier dans l’eau avec une pincée de sodium et de calcium.

Grâce à une nouvelle technique développée par des chimistes de la Michigan Technological University, les premières étapes de ce processus peuvent être étudiées plus en détail avec l’analyse de surface. L’équipe, dirigée par Kathryn Perrine, professeure adjointe de chimie, a récemment publié son dernier article dans Le Journal de Chimie Physique A.

La principale découverte du groupe est que le cation en solution – des ions sodium ou calcium chargés positivement – influence le type de films de carbonate qui se développent lorsqu’ils sont exposés à l’air, qui est composé d’oxygène atmosphérique et de dioxyde de carbone. L’exposition progressive de l’oxygène et du dioxyde de carbone produit des films de carbonate spécifiques au cation. Les hydroxydes de fer de différentes formes et morphologies sont sans exposition progressive à l’air, non spécifique au cation.

Une meilleure compréhension de ce processus et de la rapidité avec laquelle les minéraux se forment ouvre des possibilités de surveillance du captage du dioxyde de carbone, des sous-produits de la qualité de l’eau et d’amélioration de la gestion des infrastructures pour les anciens ponts et canalisations.

Les méthodologies deviennent interdisciplinaires

Même si la rouille et les minéraux de fer associés sont une partie bien connue de la vie à la surface de la Terre, les environnements dans lesquels ils se forment sont assez complexes et variés. La rouille est généralement composée d’oxydes de fer et d’hydroxydes de fer, mais la corrosion peut également conduire à la formation de carbonate de fer et d’autres minéraux. Pour chaque forme, il est difficile de comprendre les meilleures conditions pour la prévenir ou la cultiver. Perrine cite des problèmes environnementaux majeurs comme la crise de l’eau de Flint comme exemple de la façon dont quelque chose d’aussi simple que la rouille peut si facilement se glisser dans des réactions ultérieures plus compliquées et indésirables.

“Nous voulons mesurer et découvrir des réactions chimiques dans des environnements réels”, a déclaré Perrine, ajoutant que son équipe se concentre spécifiquement sur la chimie de surface, les couches minces et les films où l’eau, le métal et l’air interagissent tous. « Nous devons utiliser un niveau élevé de [surface] sensibilité dans nos outils d’analyse pour obtenir la bonne information afin que nous puissions vraiment dire quel est le mécanisme de surface et comment [iron] se transforme.”

L’étude de la science des surfaces des matériaux est intrinsèquement interdisciplinaire; de la science des matériaux à la géochimie, du génie civil à la chimie, Perrine voit son travail comme un pont qui aide d’autres disciplines à mieux éclairer leurs processus, modèles, interventions et innovations. Pour ce faire, il faut une grande précision et sensibilité dans les recherches de son groupe.

Bien que d’autres méthodes de surveillance de la corrosion de surface et de la croissance du film existent, le laboratoire de Perrine utilise une approche de chimie de surface qui pourrait être adaptée pour analyser d’autres processus de réduction et d’oxydation dans des environnements complexes. Dans une série d’articles, ils ont examiné leur processus en trois étapes – évaluant les changements dans la composition de l’électrolyte et utilisant l’oxygène et le dioxyde de carbone de l’air comme réactif, pour observer la formation en temps réel des différents minéraux observés au niveau de l’air-liquide-solide interface.

Des mesures précises sont la lentille moléculaire pour voir la chimie

Les techniques d’analyse utilisées par l’équipe sont des techniques sensibles à la surface : spectroscopie d’absorption-réflexion infrarouge modulée polarisée (PM-IRRAS), spectroscopie infrarouge à réflectance totale atténuée-transformée de Fourier (ATR-FTIR), spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) et atomique microscopie à force (AFM).

“La spectroscopie nous indique la chimie; la microscopie nous indique les changements physiques”, a déclaré Perrine. « C’est vraiment difficile de [image] ces expériences de corrosion [in real-time with AFM] car la surface change constamment, et la solution change pendant la corrosion.”

Ce que les images révèlent, c’est une séquence de piqûres, de mastication et de dégradation de la surface, connue sous le nom de corrosion, qui produit des sites de nucléation pour la croissance des minéraux. L’élément clé est de regarder les étapes initiales en fonction du temps.

« Nous pouvons observer la corrosion et la croissance du film en fonction du temps. Le chlorure de calcium [solution] a tendance à corroder la surface plus rapidement, car nous avons plus d’ions chlorure, mais nous avons également un taux de formation de carbonate plus rapide », a déclaré Perrine, ajoutant que dans une vidéo enregistrée par son laboratoire, il est possible de voir comment la solution de chlorure de sodium corrode la surface du fer progressivement et continue à former de la rouille à mesure que la solution sèche.

Elle ajoute que le fer étant omniprésent dans les systèmes environnementaux, ralentir et observer de près la formation minérale revient à ajuster les variables de sa transformation en différentes solutions et exposition à l’air.

L’approche de catalyse de surface de l’équipe aide les chercheurs à mieux comprendre les sciences fondamentales de l’environnement et d’autres types de processus de surface. L’espoir est que leur méthode pourrait aider à découvrir les mécanismes contribuant à la pollution de l’eau, à trouver des moyens d’atténuer le dioxyde de carbone, d’empêcher les effondrements de ponts et d’inspirer des conceptions plus intelligentes et des carburants plus propres, ainsi que de fournir un aperçu plus approfondi des processus géochimiques de la Terre.