پژوهشگران پرتغالی موفق به ساخت نانوپوششی شدند که علاوه بر محافظت از سطح، می‌تواند محل شروع خوردگی را نشان داده و با فرآیند خود ترمیم شوندگی موجب ترمیم بخش آسیب دیده شود.
خوردگی هر ساله میلیون‌ها دلار خسارت به سازه‌های فلزی وارد می‌کند که این موضوع اثرات منفی اقتصادی در پی دارد. به همین دلیل در طول سال‌های گذشته تحقیقات دامنه‌دار و رو به گسترشی در این حوزه انجام شده است. هدف اصلی این تحقیقات کاهش هزینه نگهداری سازه‌ها و تجهیزات صنعتی است که برای این کار محققان درصدد استفاده از پوشش‌های حسگر فعال هستند. با استفاده از این پوشش‌ها، برای نگهداری ادوات و تجهیزات صنعتی نیاز به انجام فرآیندهای پرهزینه نخواهد بود.
یکی از راهبردهای دیگر برای این کار استفاده از پوشش‌های خودترمیم شونده است. گزارش‌های متعددی درباره پوشش‌های خودترمیم شونده مبتنی بر فناوری نانو منتشر شده که قرار است جایگزین پوشش‌های سمی کروم فعلی شوند.
اخیرا مقاله‌ای منتشر شده که در آن پوششی حاوی نانوکپسول معرفی شده است. درون این نانوکپسول معرف‌های شیمیایی pH پر شده است. این کار در دانشگاه آوریو پرتغال انجام شده که در آن محققان پوششی ساخته‌اند که در صورت آغاز فرآیند خوردگی، می‌تواند محل خوردگی را نشان داده و کار ترمیم سطح را انجام دهد. در واقع با شروع فرآیند خوردگی، عوامل خورنده موجب از بین رفتن یک بخش از سازه می‌شود در نتیجه رنگ بخش خورده شده تغییر می‌کند. نتایج این پژوهش در قالب مقاله‌ای تحت عنوان Nanocontainer-based corrosion sensing coating در نشریه Nanotechnology به چاپ رسیده است.
ژلودکویچ از محققان این پروژه می‌گوید: شناسایی فرآیند خوردگی می‌تواند مستقل از فرآیند محافظت باشد. برای مثال این پوشش جدیدی که ما ساخته‌ایم، دارای عملکردهای مختلفی است به طوری که علاوه بر نشان دادن محل خوردگی، می‌تواند ترمیم محل خورده شده را نیز انجام دهد؛ این کار با استفاده از نانوساختارهای هوشمند انجام می‌شود. در واقع این پوشش هم از سطح محافظت کرده و هم در صورت بروز مشکل آن را ترمیم می‌کند.
در این پوشش، نانوکپسول‌های حاوی مواد شیمیایی ترمیم کننده وجود دارد. همچنین این پوشش از چندین لایه تشکیل شده است که هر لایه نانوکپسول خاص خود را داشته و عملکرد جدا از دیگر لایه‌ها دارد. یکی از مواد اصلی به کار رفته در این نانوکپسول‌ها، فنول‌فتالئین بوده که یک نوع شناساگر رنگی است. با شروع فرآیند خوردگی یون هیدروکسید تشکیل شده و موجب تغییر pH محیط پوشش می‌شود؛ این تغییر pH باعث تغییر رنگ در محل خوردگی می‌شود.
Nanotechnology approach to corrosion sensing coatings
(Nanowerk
Spotlight) Due to the massive economic impact of corrosion degradation
on metallic structures, the area of active protective coatings has been
developed very fast in the past few years. The goal is to significantly
reduce the maintenance costs in many industrial applications by applying
active sensing coatings. The indication of corrosion activity by these
coatings will allow optimization of the maintenance operations avoiding
excessive unnecessary preventive operations in the cases when coating is
still able to protect the metallic structures.
Different strategies
for creation of self-healing coatings have been suggested. In a previous
Nanowerk Spotlight, for instance, we reported on self-healing
nanotechnology anticorrosion coatings as alternative to toxic chromium.
We followed that up with a report on a novel and effective system for
metal protection against a wide range of biological and chemical
aggressive agents ("Protecting metal surfaces with a novel
nanoengineered encapsulation system").
Today we look at a novel
sensing active coating on the basis of nanocapsules containing
pH-indicating agent. The main idea of this work by a research team from
the University of Aveiro in Portugal, is to create a novel active
protective coating which is able to indicate when corrosion processes
start under the coatings or in different defects.
The nanoreactors
being introduced in the coating change their color in the zones where
corrosion processes start. An important feature of these nanoreactors is
that the indicating molecules are not released from the mesoporous
nanocarriers, thereby preventing spontaneous leaching and ensuring long
service time.
Scheme of pH sensing response from coating
Scheme of pH sensing response from coating. (© IOP Publishing)
The
team, led by Mikhail Zheludkevich, a senior researcher at the
university's Department of Materials and Ceramics Engineering, CICECO,
published their findings in the September 17, 2013 online edition of
Nanotechnology ("Nanocontainer-based corrosion sensing coating").
"The
corrosion sensing can be considered as independent functionality of a
protective coating or can also be considered as an important additional
functionality which can complement the self-healing coatings,"
Zheludkevich tells Nanowerk. "For example, the new coating developed by
our group in collaboration with several European partners from academic
and industrial sectors is counting on the multi-level self-healing
effect based on 'smart' nanocontainers. The main idea is that several
mechanisms of self-healing can be integrated in the same coating
providing effective active protection which is proportional to the
external impacts such as corrosive attack and mechanical impacts.
In
such a coating, the active healing agents responsible for different
mechanisms are encapsulated in micro- or nano-containers and then
integrated into the polymer coating. Different nanocontainers can
introduced to different layers of the coating or can be used in a single
layer system.
corrosion sensing coating
Pictures
of coated substrates doped with Si NC–PhPh and tested during 3 days in
0.5 M NaCl: (a) and (b) coated aluminium alloy with artificial scribe,
(c) and (d) coated magnesium alloy without scribe. (© IOP Publishing)
These
coatings were developed in the frame of large-scale European project
MUST ('Multi-Level Protective Materials for Vehicles by 'Smart'
Nanocontainers').
In their work, the team encapsulated
phenolphthalein – a colorless crystalline solid often used as an
acid-base indicator – in mesoporous silica nanocontainers.
"With the
onset of corrosion, pH increases in the local cathodic areas due to the
formation of hydroxide ions whilst acidification often occurs at anodic
sites as a result of hydrolysis reactions," explains Zheludkevich. "The
respective pH variations can be used to detect and locate the active
corrosion spots in confined defects of the coatings or under the
coatings if pH indicators are incorporated in a polymer protective
layer."
The main idea of the team was to provide a color change
signal as a result of pH change in the vicinity of a nanocontainer with
consecutive diffusion of hydroxide ions into the mesopores reacting with
pH indicator within the container.
As Zheludkevich points out, the
introduction of corrosion sensing functionality to the self-healing
coating is an important step which allows detecting the moment when the
coating is not able to heal the defects anymore and an external
intervention is needed to avoid an extensive corrosive damage.
One
challenging future direction for this research area is the integration
of several functionalities into the protective coatings. The objective
would be to develop coatings which not only integrate several
self-healing mechanisms at the same time but also provide additional
self-monitoring tasks with optional antibacterial or antifouling
functionalities.
Read more: Nanotechnology approach to corrosion sensing coatings