Kontrollierte Korrosion

• Europäisches Forscherteam beobachtet erstmals Korrosionsprozess auf atomarer Ebene
• Neue Technologie zur Nanostrukturierung

(9.2.2006) Die Korrosion technisch relevanter Legierungen wie Edelstahl soll Jahr für Jahr weltweit einen wirtschaftlichen Schaden von etwa 3% des globalen Bruttosozial­produkts verursachen. Die grundlegenden mikroskopischen Prozesse dieses Alltagsphänomens mit so weitreichenden Folgen ist immer noch noch weitgehend unverstanden - vor allem was das Einsetzen und die Evolution der Korrosion auf atomarer Ebene betrifft.

Andreas Stierle und seinen Kollegen vom Max-Planck-Institut für Metallforschung, von der Uni Ulm sowie von der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle (ESRF) in Grenoble ist es nun gelungen, diese atomaren Prozesse bei der Korrosion einer Legierung gewissermaßen „live“ mitzuverfolgen. Zur großen Überraschung der Forscher entsteht bei der an sich zerstörerischen Korrosion zunächst eine perfekte kristalline Schutzschicht, deren Struktur und chemische Zusammensetzung die Wissenschaftler mit Hilfe von Synchrotronstrahlung entschlüsseln konnten. Ihre Beobachtungen zeigen ferner, wie man technologisch relevante Legierungsoberflächen durch gezielte Korrosionsprozesse nanostrukturieren könnte.

Abb. 1: Strukturmodell einer korrosionsinduzierten, goldreichen, drei Atomlagen dicken Passivierungsschicht auf Cu3Au, die das Material zunächst vor weiterem Auslösen von Kupfer-Atomen schützt. Die Goldatome sind als gelbe und die Kupferatome als rote Kugeln dargestellt. Korrosion ist ein alltäglicher Prozess, der auch nicht vor der Minerva, der Ikone der Max-Planck-Gesellschaft, halt macht.

Für ihre grundlegenden Untersuchungen haben die Forscher mit Cu3Au eine Legierung ausgewählt, deren zwei Komponenten ein stark voneinander abweichendes Korrosionsverhalten aufweisen: Während Kupfer schon bei kleinen Korrosionspotenzialen in eine schwelfelsäurehaltige Lösung übergeht, ist Gold weitaus widerstandsfähiger. Mit Hilfe der Synchrotronstrahlung haben die Forscher nun das Einsetzen der Korrosion bei der Legierung Cu3Au in hoher Auflösung und zerstörungsfrei untersuchen können. Dabei gelang es ihnen, die Grenzfläche zwischen dem flüssigen Elektrolyten und dem Legierungskristall mit einer Auflösung im Picometer-Bereich direkt während des Korrosionsprozesses zu analysieren (zur Erinnerung: 1 Picometer = 10¯¹² Meter oder 1 Nanometer = 1.000 Picometer).

Wird nur wenig Kupfer aus dieser Grenzfläche herausgelöst, verändert sich diese und es bildet sich eine einkristalline, nur drei atomare Lagen dicke, goldreiche Passivierungsschicht, die die Oberfläche des Materials zunächst vor weiterer Korrosion schützt (siehe Abbildung 1). Dabei übernimmt diese Passivierungsschicht interessanterweise die Kristallstruktur des Substrats nicht eins zu eins. Vielmehr wirkt die Grenzfläche des Materials zum Elektrolyten wie ein Spiegel, der bewirkt, dass der Film mit der Zwillingsstruktur des Substrats aufwächst.

Abb 2: Aufnahme der Cu3Au-Oberfläche mit einem Rasterkraftmikroskop nach Auflösung der CuAu-Passivierungsschicht.

Erhöht man nun das Korrosionspotenzial weiter durch Änderung der elektrischen Spannung zwischen Probe und Referenzelektrode, so wird auch das restliche Kupfer aus der zunächst schützenden Passierungsschicht herausgelöst und die verbleibenden Goldatome bilden etwa zwei Nanometer hohe Goldinseln, die die Oberfläche nicht mehr komplett bedecken (siehe Abbildung 2). Dieser Vorgang, auch Entnetzung genannt, ist bereits aus der Natur bekannt, wenn sich etwa Regentropfen auf einem Blatt zusammenziehen. Die Korrosion schreitet nun über die direkt mit dem Elektrolyten in Kontakt stehenden Cu3Au-Flächen fort und es bildet sich eine löchrige, schaumartige Struktur mit Korrosionsporen.

Aus diesen Forschungsergebnissen können Materialwissenschaftler lernen, dass man eine optimale Oberflächenpassivierung von Legierungen erhält, wenn man das Korrosionspotential über der Oberfläche gezielt so einstellt, dass sich eine Passivierungsschicht bildet. Darüber hinaus ist die kontrollierte Korrosion bei höheren Potentialen eine elegante Methode, mit der man Materialoberflächen chemisch im Nanometer-Bereich strukturieren kann. Schreitet die Korrosion immer weiter voran, bildet sich schließlich ein nanoporöser Goldfilm, der auf Grund seiner sehr großen Oberfläche etwa als Katalysatormaterial genutzt werden kann.

Originalveröffentlichung:

• F. U. Renner, A. Stierle, H. Dosch, D. M. Kolb, T.-L. Lee & J. Zegenhagen
  Initial corrosion observed on the atomic scale
  Nature, 9 February 2006