Fundamentals of molecular adhesion for the prediction of macroscopic adhesion at electrified interfaces
Solid State and Surface Chemistry, Material Synthesis
Final Report Abstract
Um molekulare Wechselwirkungen (z.B. van der Waals, elektrostatische und spezifische Wechselwirkungen) auf technisch relevanten Systemen grundlegend zu verstehen, bedarf es molekularer Untersuchungen der Wechselwirkungsmechanismen an gezielt manipulierten Oberflächen, mit dem Ziel Struktur, Eigenschaften und Korrosion von adhäsiven Kontakten zu verstehen. Entsprechend wurde der Fokus dieses Projektes auf eine gezielte Variation von van der Waals Wechselwirkungen durch die das kontrollierte aufwachsen von Oxiden auf Metalloberflächen gelegt. Es sollten Nanometer genau kontrollierte Oxide zunächst auf Aluminium durch anodische Polarisation aufgewachsen werden um anschließend adhäsive Wechselwirkungen an diesen Grenzflächen mit Einzelmolekülen und an makroskopischen Kontakten unter Potentialkontrolle zu vermessen. Im Projekt ist es dabei erstmals gelungen mit Hilfe der Surface Forces Apparates (SFA) zu zeigen, dass anodische Polarisation eines adhäsiven Kontakts starke Kontaktkorrosion fördert. Dieses Verhalten legt nahe, dass Adhäsion im Allgemeinen nicht getrennt von Korrosion zu betrachten ist. Wir konnten zeigen, dass der elektrochemische SFA ein ausgezeichnetes und einzigartiges Experiment darstellt, welches in-situ und in Echtzeit (mit ms Zeitauflösung) charakterisieren kann, wie ein adhäsiver Kontakt auf elektrochemische Polarisation reagiert. Es konnten damit erstmalig in-situ lokale Korrosionsströme (auf Mikrometer Skala A/µm2) im adhäsiven Kontakt gemessen werden, was zuvor mit keiner anderen Technik möglich war. Alternative Techniken können nur integrierte Ströme der gesamten Probe messen. Auf Basis dieser Arbeiten ist es damit möglich, Haftkraftmessungen unter korrosiven Bedingungen parallel mit der Messung der Korrosion und der Oxidschichtdicke zu verbinden. Die Ergebnisse dieses Projektes zeigen also, dass es möglich ist, molekulare Charakterisierung von Haftkraft unter elektrochemischen und korrosiven Bedingungen durchzuführen. Auch wenn es in diesem Projekt noch nicht gelungen ist diesen Schritt tatsächlich zu gehen, ist dies auf Basis der erarbeiten Fortschritte nun möglich und technisch realisierbar. Damit rückt ein molekulares Beschreiben von korrosiver Enthaftung in greifbare Nähe.
Publications
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“In situ nano- to microscopic imaging and growth mechanism of electrochemical dissolution (e.g., corrosion) of a confined metal surface”, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), Vol. 114, no. 36, 9541–9546, 2017
C. Merola, H.-W. Cheng, K. Schwenzfeier, K. Kristiansen, Y.-J. Chen, H. Dobbs, J. Israelachvili, and M. Valtiner
