При падении, столкновении на поле или другом травмирующем ударе врач первым делом сделает рентген, компьютерную томографию или магнитно-резонансную томографию, чтобы определить, не повреждено ли что-нибудь внутри. Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) используют тот же принцип, но в более мощной форме, для обнаружения коррозии, основной опасности, угрожающей здоровью стальных конструкций мостов, дорог и другой устаревшей физической инфраструктуры страны..
То, что они разработали, представляет собой неинвазивный метод «спектральных отпечатков пальцев», который выявляет коррозию стали, заключенной в бетон, до того, как она сможет вызвать какое-либо значительное разрушение конструкции, которую она поддерживает. Метод обнаружения описан в новой статье в журнале Applied Magnetic Resonance.
Когда вода и кислород разъедают железо, образуются различные продукты оксида железа, наиболее распространенными из которых являются гетит и гематит. «Коричневая ржавчина, которая образуется, когда вы оставляете молот под дождем, в основном представляет собой гетит, а когда стальной арматурный стержень [арматура] подвергается коррозии внутри бетонного настила моста, это в основном гематит», - сказал физико-химик NIST Дэйв Плюскеллик. «В нашем новом исследовании с гетитом и нашей предыдущей работе с гематитом мы показали, что терагерцовое излучение - электромагнитные волны с частотами в 10-100 раз выше, чем микроволны, используемые для приготовления пищи, - может обнаруживать как продукты коррозии на ранних стадиях образования,."
Существующие методы визуализации для обнаружения коррозии используют микроволны для регистрации изменений физического состояния стали, подвергшейся воздействию, таких как изменения толщины арматурного стержня в бетоне моста или другой конструкции.
«К сожалению, к тому времени, когда такие изменения становятся заметными, коррозионный процесс уже идет полным ходом, вызывая трещины в бетоне», - сказал физик и научный сотрудник NIST Эд Гарбоци.
Кроме того, Гарбоци сказал, что большинство методов микроволновой визуализации основаны на сравнении с базовыми измерениями стали, сделанными во время строительства, практика, которая насчитывает всего около 25 лет.
«Это реальная проблема, поскольку средний возраст 400 000 железобетонных мостов в Соединенных Штатах составляет 50 лет, и для многих из них нет исходных данных», - пояснил он.
Метод обнаружения терагерцовых волн NIST работает, потому что гетит и гематит являются антиферромагнитными. Другими словами, пары электронов, сидящие бок о бок внутри атомов железа в этих материалах, вращаются в противоположных направлениях, оставляя их незатронутыми внешними магнитными полями. Напротив, электроны в атомах железа бытового магнита, который является ферромагнитным, вращаются в том же направлении и либо притягиваются, либо отталкиваются внешними магнитными полями.
«Терагерцовые волны изменят направление спина одного из электронов в паре и будут поглощены гематитом или гетитом», - сказал Плюскеллик. «Используя детектор миллиметрового диапазона, мы обнаружили, что это антиферромагнитное поглощение происходит только в узких частотных диапазонах в терагерцовой области электромагнитного спектра, что дает «спектральные отпечатки пальцев», уникальные для гетита и гематита, и, в свою очередь, коррозию железа».
С современными достижениями в области терагерцовых источников и детекторов новый метод неразрушающей оценки NIST может быстро обнаруживать крошечные количества железосодержащих оксидов на ранней стадии коррозии стали, окруженной бетоном, полимерными композитами (такими как трубы). изоляция на заводе), краски и другие защитные материалы.
«В лаборатории мы продемонстрировали, что 2-милливаттный терагерцовый источник может создавать волны, которые обнаруживают гематит через 25 миллиметров бетона», - сказал Плюскеллик. «Используя терагерцовые источники мощностью в сотни милливатт и современные приемники с беспрецедентным отношением сигнал/шум, мы сможем проникнуть в 50-миллиметровую толщину бетона, покрывающего первый слой используемой арматуры. в большинстве железобетонных конструкций."
Следующей задачей группы NIST будет попытка найти спектральный отпечаток для акагенита, продукта коррозии железа, образующегося в присутствии ионов хлора, которые поступают из таких источников, как морская вода и дорожная соль против обледенения.
«Акагенеит может вызвать проблемы в железобетоне, подобные тем, которые наблюдаются с гетитом и гематитом», - сказал Гарбоци.
Метод обнаружения антиферромагнитной коррозии был впервые придуман в 2009 году покойным Уильямом Эгельхоффом, научным сотрудником NIST и пионером в области магнитных материалов.