Исследователи из Университета штата Орегон и Калифорнийского университета в Беркли разработали новый вычислительный метод, который сочетает в себе два метода, позволяющих делать прогнозы быстрее, дешевле и эффективнее.Результаты, опубликованные в Nature Communications, могут иметь широкий спектр применения, в том числе при проектировании мостов и авиационных двигателей, оба из которых подвержены коррозии.«Все металлы, кроме драгоценных металлов, таких как золото и серебро, вступают в реакцию с водой», — сказал Дуг Кеслер, выдающийся профессор химии Научного колледжа штата Орегон.
«Мы хотели бы предсказать конкретные реакции металлов и их комбинаций с водой и то, каковы продукты этих реакций, в первую очередь с помощью вычислительных методов, а не определения их экспериментально», — сказал Кеслер, который также является директором Центра. по устойчивой химии материалов в ОГУ.Традиционно, отмечал Кеслер, рассматривая металлы, растворенные в воде, химическое предположение заключалось в том, что металл растворяется с образованием простой соли. Однако так бывает не всегда.«Во многих случаях он сначала растворяется, образуя сложный кластер, содержащий множество атомов металлов», — сказал он. «Теперь мы можем предсказать типы кластеров, которые существуют в растворе, тем самым углубляя понимание растворения металлов с вычислительной точки зрения».
Изучая водные кластеры оксидов металлов и гидроксидов из элементов группы 13 — алюминия, галлия, индия и таллия — ученые объединили квантово-механические расчеты с подходом «групповой аддитивности», чтобы создать диаграммы Пурбе, золотой стандарт для описания растворенных в воде частиц металлов.«Применяя этот новый подход, мы приходим к количественной оценке стабильности кластера как функции pH и концентрации», — сказал соавтор исследования Пол Ха-Ён Чеонг, доцент химии в OSU.Понимание кластеров имеет решающее значение из-за роли, которую они играют в химических процессах, от биоминерализации до осаждения из раствора тонких пленок для электронных приложений.
А характеристика коррозии связана с возможностью изображения стабильных фаз металлов в воде.«Например, если вы проектируете новую сталь для моста, вы хотели бы включить возможность коррозии в процесс вычислительного проектирования», — сказал Кеслер. «Или, если у вас есть новый металл для авиационного двигателя, вы хотели бы иметь возможность определить, будет ли он подвержен коррозии».Эти примеры не просто гипотетические.
Только прошлым летом японской авиакомпании пришлось отремонтировать все 100 двигателей Rolls-Royce в своем парке Boeing 787 Dreamliners после серии отказов двигателей, вызванных коррозией и растрескиванием лопаток турбины. Двигатели продаются по 20 миллионов долларов каждый.
«Большинство диаграмм Пурбэ не включают эти металлические кластеры, и, следовательно, наше понимание растворения металлов и реакции с водой отсутствует», — сказала соавтор исследования Кристин А. Перссон, профессор материаловедения в Калифорнийском университете в Беркли. «Теперь мы открыли быстрый и точный формализм для моделирования этих кластеров на компьютере, который изменит наши способности предсказывать, как металлы реагируют в воде».