חוקרים גילו כי שכבות דקיקות של תחמוצת אלומיניום עשויות להתנהג כמו נוזל ולסתום חורים בציפוי מתכתי

שיתוך (קורוזיה) – תהליך החמצון של מתכות במגע עם האוויר, הוא תופעה המוכרת לכולנו, שגורמת נזקים גדולים בתעשייה ובחיי היומיום. מאמצים רבים מושקעים בניסיונות להגן על מתכות מפני חמצון. לאחרונה התגלה כי תחמוצת אלומיניום היא ציפוי מגן מוצלח ביותר שמספק הגנה מעולה למתכת.

השיתוך נוצר מתגובה בין המתכת לחמצן שבאוויר: התגובה מייצרת תחמוצת של המתכת – כשזה קורה לברזל נקרא לה "חלודה" – והיא נוטה להתפורר ולחשוף חלקים נוספים של המתכת לאוויר. התהליך עלול להימשך עד להרס של גוש המתכת כולו, או לחדירה עמוקה של השיתוך לתוכו, וכך לפגוע בחוזק המבני שלו ובשלמותו. התוצאה עלולה להיות כשל של המתכת ושבירתה, היסדקותה או היחלשות משמעותית שלה.

אנו מכירים כבר זמן רב מתכות שהתחמוצות שלהן אינן מתפוררות כמו חלודה, אלא יוצרות שכבת הגנה שנצמדת אל פני השטח. כך הן מגינות על המתכת ומונעות את המשך התהליך. בולטת ביניהן במיוחד המתכת אלומיניום.

החיסרון בשימוש במתכות כאלה לציפוי מתכות שפגיעות לנזקי החמצון, הוא שבנוכחות כוחות או לחצים חזקים, ציפוי התחמוצת שלהן עלול להישבר וליצור סדקים. התוצאה היא הגנה לא מושלמת של הציפוי, ורווחים שדרכם החמצן יכול לחדור ישירות למתכת החשופה ולגרום לשיתוך שניסינו למנוע מלכתחילה.

חוקרים שרצו להבין מדוע תחמוצת אלומיניום מגינה בצורה מוצלחת כל כך מפני שיתוך, דיווחו לאחרונה שאם מצפים אלומיניום בשכבה דקה במיוחד של תחמוצת אלומיניום, בעובי של 3-2 ננומטר (מיליארדיות המטר), כלומר שכבה בעובי של אטומים בודדים, מתקבלת הגנה הרבה יותר טובה. השכבה הדקה עדיין מונעת מהחמצן להגיב עם המתכת, אבל אף על פי שהתחמוצת היא חומר מוצק וקשיח, השכבה הדקה הזאת מתנהגת בפועל כמו נוזל, זורמת על פני השטח של האלומיניום ומכסה את הסדקים והרווחים הנוצרים, ממש כמו מים.

התכונה לא קשורה רק להרכב הכימי אלא גם לעובי השכבה. מולקולות של תחמוצת אלומיניום | איור: Shutterstock
התכונה לא קשורה רק להרכב הכימי אלא גם לעובי השכבה. מולקולות של תחמוצת אלומיניום | איור: Shutterstock

החוקרים גילו בניסוי שגם כאשר מתחו את האלומיניום ואת שכבת התחמוצת שעליו, לא נוצרו כל סדקים בציפוי. שכבת תחמוצת אלומיניום רגילה ופחות דקה הייתה נסדקת בתנאים האלה וחושפת את פני השטח של האלומיניום בכמה מקומות,  מה שמוכיח שהתכונה הזאת קשורה לעוביה הדק במיוחד של שכבת ההגנה, ולא רק להרכב הכימי שלה.

החוקרים נעזרו במכשיר מתקדם ביותר שנמצא רק במעבדות אחדות בעולם: מיקרוסקופ אלקטרונים חודר סביבתי, או E-TEM בקיצור. בניגוד למיקרוסקופ אלקטרונים רגיל שדורש להחזיק את הדוגמה ברִיק מוחלט, המכשיר הזה מסוגל לפעול גם בנוכחות גז או נוזל שאנו רוצים לחקור את השפעתם על הדוגמה. הם כנראה הראשונים שהשתמשו במיקרוסקופ כזה כדי לחקור את התנהגות התחמוצת בתנאים שמדמים את הסביבה, ולא ברִיק, וכך הגיעו לתגלית.

החוקרים צופים כי פרט להגנה מפני שיתוך, שכבת המגן הדקה החדשה תהיה יעילה במיוחד גם במניעת דליפות של מולקולות קטנות – למשל מימן, שהוא גז בעל מולקולות קטנות ביותר, קשה לאחסון ונוטה לדלוף דרך רוב החומרים. נראה כי שכבת המגן החדשה תהיה אטומה גם כלפיו ותקל על אחסונו בעתיד.