یک زنگ خطر دائمی برای «آهن» این است که به راحتی در هوا و آب اکسید میشود. حتی فولاد (آلیاژ سخت آهن با آثار کربن) به راحتی زنگ میزند، به این معنا که اکسیداسیون به فولاد در ساختمانها، اتومبیلها و لوازم خانگی آسیب میرساند. اما همانطور که از نام «فولاد ضدزنگ» یا همان «استنلس استیل» پیداست، به نظر نمیرسد زنگ بزند. اما راز این زنگ نزدن چیست؟
به گزارش فرادید، به زبان ساده، شیمی فولاد ضد زنگ، اکسیژن موجود در هوا و محیط را از رسیدن به آهن فولاد باز میدارد و از واکنش اکسیداسیون مضر جلوگیری میکند.
وقتی آهن با اکسیژن واکنش شیمیایی نشان میدهد تا اکسید آهن را شکل دهد، فولاد معمولی زنگ میزند. اگرچه زنگزدگی در کل برای انسان ضرری ندارد، اما میتواند آهن را به شدت خورده و آن را ناایمن و زشت کند.
فولاد معمولی آلیاژی از ۹۹٪ آهن و بین ۰.۲٪ تا ۱٪ کربن است، در حالی که فولاد ضدزنگ معمولاً بین ۶۲٪ تا ۷۵٪ آهن، تا ۱٪ کربن و بیش از ۱۰.۵٪ کروم دارد. فولاد ضدزنگ همچنین معمولاً دارای چند درصد نیکل است که میتواند کار با آن را هم سختتر و هم آسانتر کند.
کروم کلید مقاومت در برابر زنگزدگی فولاد ضدزنگ است. کروم با اکسیژن موجود در محیط (معمولاً در هوا و همچنین زیر آب) واکنش میدهد تا یک «لایه غیرفعال» از اکسید کروم (Cr2O3) روی سطح فلز ایجاد کند. این لایه از رسیدن اکسیژن به آهن در فولاد برای ایجاد زنگ جلوگیری میکند.
لایهی غیرفعال روی فولاد ضدزنگ تنها چند نانومتر ضخامت دارد، پس «نامرئی» است. لایهی اکسید کروم همچنین میتواند در صورت آسیب خودش را ترمیم کند. لایهی اکسید کروم خنثی یا بیاثر است، به این معنا که از نظر شیمیایی با مواد دیگر واکنش نشان نمیدهد و از سطح فلز خارج نمیشود و همین امر سبب میشود فولاد ضد زنگ برای تولید مواد غذایی، جراحی و سایر کاربردها مناسب باشد.
فولاد ضد زنگ مدرن سال ۱۹۱۲ توسط متخصص ذوب فلزات انگلیسی، هَری برِرلی که در حال مطالعه آلیاژهای فولادی برای جلوگیری از خوردگی در لولههای تفنگ بود، ساخته شد.
بررلی آلیاژی از آهن، کربن، کروم و نیکل ایجاد کرد، اما این آلیاژ برای لوله تفنگ مناسب نبود، بنابراین آن را در حیاط خلوت خود انداخت. چند هفته بعد، برلی متوجه شد آلیاژ براق حیاط خانهاش زنگ نزده، بنابراین روی این ماده کار کرد و سال ۱۹۱۵ آن را به دنیا معرفی کرد.
فولاد ضدزنگ در حال حاضر سالانه حدود ۴ درصد از فولاد مصرفی سراسر جهان را تشکیل میدهد: تقریباً ۲ میلیارد تن.
اما ساخت فولاد ضدزنگ پیچیده و پرهزینه است (معمولاً بین سه تا پنج برابر هزینه تولید فولاد معمولی) و گنجاندن عناصر فلزی خاص در آلیاژها (مانند مولیبدنوم برای کاربردهای زیر آبی) میتواند آن را همچنان گرانتر کند.
در نتیجه، بیشتر کاربردهایی که به فولاد نیاز دارند، از فولاد معمولی یا کربنی استفاده میکنند، چه در شرایطی که زنگ نمیزند یا جایی که با یک لایه بیرونی رنگ یا پوشش دیگر محافظت میشود.
با این حال فولاد ضدزنگ امروزه بیش از همیشه کاربرد دارد، از جمله در تولید مواد غذایی و ایمنی مواد غذایی.
فولاد ضدزنگ مزایای زیادی نسبت به جایگزینها دارد: در برابر خوردگی ناشی از اسیدهای غذا و مواد شیمیایی پاککننده (بر خلاف آلومینیوم و مس) مقاوم است و غذایی را که با آن تماس داشته باشد، آلوده نمیکند.
فولاد ضدزنگ بادوام، قویتر از آلومینیوم و بهداشتی است و سطحی غیر متخلخل دارد که میتوان آن را به راحتی تمیز و ضدعفونی کرد.
روش هیجان انگیز استاد پاکستانی برای تولید آچار فرانسه در خانه
عصر ایران- برخلاف آنچه که همه ما در کلاس علوم دبستان یاد گرفتیم، اکنون معلوم شده که ممکن است گرما برای تبخیر آب لازم نباشد.
دانشمندان موسسه فناوری ماساچوست(MIT) به کشف شگفت انگیزی دست یافتهاند که نشان میدهد نور به تنهایی میتواند آب را تبخیر کند و حتی از وجود گرما در این فرآیند، کارآمدتر است. این یافته میتواند درک ما از پدیدههای طبیعی را بهبود بخشد یا سیستمهای نمکزدایی را تقویت کند.
تبخیر زمانی اتفاق میافتد که مولکولهای آب در نزدیکی سطح مایع، انرژی کافی را جذب میکنند تا به صورت گاز(بخار آب) به هوا فرار کنند. به طور کلی، گرما منبع انرژی است و در مورد چرخه آب زمین، این گرما در درجه اول از نور خورشید میآید.
اما در چند سال اخیر، گروههای مختلف دانشمندان متوجه اختلافاتی در آزمایشهای خود در مورد آب موجود در هیدروژلها شدهاند. به نظر میرسد که آب نسبت به میزان گرمایی که در معرض آن قرار میگیرد، با سرعتی بسیار بالاتر تبخیر میشود که گاهی اوقات بیشینه سرعت از لحاظ نظری را سه برابر میکند.
بنابراین دانشمندان MIT برای این مطالعه جدید، شروع به تحقیق در مورد آنچه ممکن است رخ دهد، کردند. آنها پس از چند آزمایش اساسی مشکوک شدند که نور خود به تنهایی موجب تبخیر اضافی میشود. این ایده تعجب آور است، زیرا آب واقعاً نور را جذب نمیکند، بنابراین اگر آب تمیز باشد میتوانید در صورت تابش نور به آن، تا عمق مناسبی از آن را دید.
دانشمندان برای بررسی واقعی فرضیه خود، یک نمونه هیدروژل را در یک ظرف قرار دادند و آن را به ترتیب در معرض طول موجهای مختلف نور قرار دادند و مقدار جرمی را که در طول زمان در اثر تبخیر از دست داد، اندازه گرفتند. این آزمایش به دقت کنترل میشد و طوری محافظت میشد که از وارد شدن هرگونه گرما به سیستم و به هم ریختن نتایج جلوگیری شود.
در نهایت مشاهده شد که آب با سرعتی بسیار بالاتر از آنچه «حد حرارتی» اجازه میدهد، در حال تبخیر بود. به نظر میرسید درجه تبخیر بر اساس طول موج نور متفاوت است و در طول موج نور سبز به اوج میرسد. این وابستگی به رنگ شواهدی را اضافه میکند که نشان میدهد به گرما مربوط نیست.
سپس پژوهشگران این آزمایش را در تاریکی تکرار کردند و با استفاده از الکتریسیته، همان مقدار گرمایی را به هیدروژل اعمال کردند که در آزمایش نور انجام شد. در نهایت دیده شد که میزان تبخیر آب به خوبی در محدوده حرارتی باقی ماند و آب بسیار کمتر از میزانی که با قرار گرفتن در معرض نور تبخیر شد، بخار شد.
پژوهشگران این پدیده جدید را «اثر فوتومولکولی»(photomolecular effect) نامیدند و فرض کردند که فوتونهای نور میتوانند به طور بالقوه خوشههایی از مولکولهای آب را در نزدیکی سطح مایع جدا کنند.
در حالی که تاکنون فقط تحت شرایط آزمایشگاهی با دقت کنترل شده مشاهده شده است، پژوهشگران میگویند که ممکن است در طبیعت نیز مانند ابرها یا روی سطح دریا این اتفاق رخ دهد. اگرچه در این شرایط گرما هنوز هم احتمالا بیشتر کار را انجام میدهد.
این گروه همچنین پیشنهاد میکند که اثر فوتومولکولی میتواند به طور بالقوه برای بهبود کارایی سیستمهایی مانند نمکزدایی یا خنک کننده تبخیری مورد استفاده قرار گیرد.
پژوهشگران برای مطالعه استفاده از این اثر در نمکزدایی با انرژی خورشیدی کمک مالی دریافت کردهاند. آنها تخمین میزنند که این اثر میتواند کارایی این سیستمها را سه یا چهار برابر افزایش دهد.
آنها همچنین بودجهای برای بررسی اینکه آیا این اثر میتواند مدلهای آب و هوایی را برهم بزند، در اختیار دارند.
این پژوهش در مجله PNAS منتشر شده است.
منبع: ایسنا