サビ発生の様子、原子レベルでの可視化にぞわっとする

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  • author Ryan F. Mandelbaum - Gizmodo US
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  • たもり
サビ発生の様子、原子レベルでの可視化にぞわっとする
サビ Image: Laitr Keiows/Wikimedia Commons

金属が錆びていく過程のこれまでにないほど詳細な3Dイメージが作られ、米国科学アカデミー紀要に論文が発表されました。

ご存じのとおり、サビは鉄が水によって酸化鉄へと変わってしまう化学反応。鉄や鋼で出来たあらゆるものを腐食させ、強度を弱めてしまうサビは脅威になり得ます。高架橋の崩落原油流出など、多くの大災害を引き起こしてきました。サビ自体はおなじみの光景ではあるもののその解決策を考え出すのは非常に難しいため、科学者たちは原子レベルでのサビの生じ方を調べたのです。

パシフィックノースウェスト国立研究所の博士研究員Sandra Taylor氏は「原子がどのように物理的にサビに付着しているのかはあまり知られていません」と語ってくれました。

鉄を取り込んで自己修復?

研究者たちはサビの主な鉱物成分である針鉄鉱からマイクロロッド(微小な棒)を作成し、それを鉄原子が溶けた水と反応させました。溶解した鉄原子の中には原子核内の中性子が余っているものがあったため、それらがどのようにマイクロロッドに付着し入り込んだか、しっかりと経過を追うことができたのです。その後、それぞれの原子の独自性と位置を識別できるアトムプローブトモグラフィー(APT)という手法を使ってその反応を撮像しました。

3次元再構成により、溶解した鉄の原子がマイクロロッドの特定の箇所に付着していることが明らかに。それはロッドの格子状の結晶構造に欠陥があった箇所で、欠けているレンガや皮膚の傷口と似ています。どうやら針鉄鉱は環境から鉄を取って自らを修復しようと試みたようで、Taylor氏によればその過程でさらに多くの鉄原子とサビを得ているんだとか。それだけでなく、周囲からの鉄原子は針鉄鉱のロッドの結晶構造の奥深くへと進んだようです。

錆(ピンク)が、環境(グリーン)から鉄原子(ブルー)を得ていく様子の動画
Video: Pacific Northwest National Laboratory - PNNL S&T/YouTube

Taylor氏と共に働いたことがあるものの、この研究には関わっていなかったアイオワ大学の土木環境工学教授Michelle Scherer氏は、米Gizmodoに「これは非常に面白い研究だと思います」と語っています。Scherer氏いわく、科学者たちは以前、もっと大規模な実験器具を使う中でそのようなプロセスが起きているという考えを持っていたそうで、APT分析の結果が確証した形になります。しかしながら、この解釈は科学者らが傾きつつある仮説である一方、依然として仮説であり、研究するには難しいプロセスだと彼女は指摘しています。

研究の意義

この研究には潜在的な用途がかなりあります。「サビがどのように形成されるかを理解することができれば、少なくともそれらがどんな影響を及ぼすかを予想でき、表面で起きている化学反応にもっとうまく対処できる素材を開発できる」とTaylor氏。しかし、これを環境的な規模で考えると、例えば土壌のような場所にある鉄と他の元素には、固形物質の奥深くへと移動する可能性があることを意味します。これは、植物が土壌からどのように物質を吸収するのか、さらにヒ素のような汚染物質は環境を移動するのかといった点についての見識をもたらすかもしれません。

サビ自体は迷惑なものかもしれませんが、そういったものでさえ、世界についての価値ある情報を明らかにしているのです。

Source: PNAS, Pacific Northwest National Laboratory, , NY Times, NBC, the Guardian

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