当水蒸气遇到金属时，产生的腐蚀可能会导致机械问题，从而损害机器的性能。通过钝化过程，它还可以形成一层薄薄的惰性层，作为防止进一步恶化的屏障。

不管怎样，确切的化学反应在原子水平上还没有得到很好的理解，但由于一种称为环境透射电子显微镜(TEM)的技术，这种情况正在改变，它允许研究人员直接观察分子在尽可能小的尺度上的相互作用。

周广文教授是宾汉顿大学托马斯·J·沃森工程与应用科学学院的教员，自2007年加入机械工程系以来，一直在探索原子反应的秘密。与匹兹堡大学和布鲁克海文大学的合作者一起在国家实验室，他研究了金属的结构和功能特性以及制造“绿色”钢的过程。

他们的最新研究“水蒸气诱导表面钝化的原子机制”于11月发表在《科学进展》杂志上。

在论文中，周和他的团队引入水蒸气来清洁铝样品并观察表面反应。

“这种现象众所周知，因为它发生在我们的日常生活中，”他说。“但是水分子是如何与铝反应形成钝化层的?如果你看一下[研究]文献，就会发现，关于这种情况在原子尺度上如何发生的研究并不多。如果我们想永远利用它，我们必须知道因为那样我们就有办法控制它。”

他们发现了一些以前从未观察到的东西：除了表面上形成的氢氧化铝层之外，在其下方还形成了第二个非晶层，这表明存在一种将氧气扩散到基材中的传输机制。

“大多数腐蚀研究都集中在钝化层的生长以及它如何减缓腐蚀过程，”周说。“从原子尺度来看，我们认为我们可以弥合知识差距。”

全球每年修复腐蚀的成本估计为2.5万亿美元，占全球GDP的3%以上，因此开发更好的氧化管理方法将带来经济收益。

此外，了解水分子的氢原子和氧原子如何分解并与金属相互作用可能会带来清洁能源解决方案，这就是美国能源部资助这项研究以及周过去的类似项目的原因。

“如果你在重新组合水时将其分解成氧气和氢气，它又只是水，”他说。“它没有化石燃料的污染，也不产生二氧化碳。”

由于清洁能源的影响，美国能源部在过去15年里定期更新周的赠款资金。

“我非常感谢对这项研究的长期支持，”周说。“这对于能源设备或能源系统来说是一个非常重要的问题，因为有很多金属合金用作结构材料。”

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