18.6.2021
Om järnet rostar på grund av ett straff från gudarna är inte en fråga som man forskar i med någon särskild nit. Däremot är man intresserad av att forska i olika stålkvaliteter och till vilket bruk de lämpar sig bäst.
Jorden är i all sin mångfald uppbyggd av cirka 90 olika grundämnen, av vilka fler än 70 är metaller. Människan har genom tiderna lärt sig utvinna och utnyttja allt fler metaller till de mest varierande ändamål. Metaller kan smidas, gjutas, pressas, svetsas, 3D-printas och så vidare. Vi utnyttjar på olika sätt metallers mekaniska styrka, flexibilitet, elektriska ledningsförmåga och värmeledningsförmåga. Vi använder metaller i mobiltelefoner, kretskort, vindturbiner, solpaneler, vägräcken, tak, golv, väggar, vägar, kylskåp, bussar, lyktstolpar, lås, flygplan, fartyg, gruvindustri, jordbruk, maskiner, traktorer, skruvar, spikar, operationsinstrument, köksverktyg etcetera. Några av de viktigaste metallerna är idag aluminium, koppar, zink, nickel, krom, litium, kobolt, magnesium, bly och järn.
Metaller har en stor svaghet: de har en tendens att reagera med omgivande material som luft, vatten, eller andra gaser och vätskor. Metallerna kan vid reaktioner med omgivningen upplösas eller omvandlas till fasta kemiska föreningar, ofta oxider, som förblir på metallytan. I dessa fall kan man säga att metallen korroderar. Vanlig rostning av stål, järn, svärtning av silver, gropfrätning på aluminium, och upplösning av metaller i syror är välkända exempel på olika fall av korrosion. Plinius (död 79 e.Kr.) postulerade att järnets rostande är ett straff, som gudarna pålagt denna metall, eftersom den låter sig användas för svärd och andra krigiska ändamål.
Redan under antiken sökte man korrossionsskyddsmetoder. Att förstå och förhindra korrosion är trots det mera aktuellt idag än någonsin tidigare. Stålindustrin producerar 2 miljarder ton kg stål per år, det vill säga nästan 1 kg stål per person per dag! Cirka 5% av de av människan förorsakade CO2-utsläppen härstammar från ståltillverkning.
Vi måste öka återanvändningen och att utveckla fossilfri stålproduktion. 10 % av stålbehovet kunde uppskattningsvis minskas om man bättre kunde undvika korrosion: det vill säga designa strukturer som inte korroderar och skickligare välja mest lämpliga stålkvaliteter för specifika ändamål.
Våra 70 olika metaller korroderar på de mest varierande sätt. Aluminium korroderar egentligen inte alls endast i kontakt med luft och syre, om pH är mellan 4 och 9. Aluminiumets korrosion skyddas av ett några nanometer tjockt aluminiumoxidskikt. Vid lägre pH än 4 eller högre pH än 9, korroderar aluminium snabbt, vilket man kan härleda utifrån fundamentala så kallade jämvikts- och polarisationsberäkningar. Aluminium eller Al-Mg-legeringar bör inte vara i kontakt med ädlare metaller och flertalet olika stålkvaliteter på grund av galvanisk korrosion, vilket torde vara bekant för de flesta båtmänniskor och praktiska hemmafixare. Galvaniserat ståls korrosion hindras av ett tunt Zn-skikt, medan till exempel det rostfria stålet i våra bestick skyddas av ett starkt kromoxidskikt.
Forskningsgruppen för oorganisk kemi (OOK) vid Åbo Akademi har producerat runt tio doktorsavhandlingar relaterade till metaller och korrosion de senaste åren, och även haft kring tio grundforskningsprojekt inom området som finansierats av Finlands Akademi. För tillfället medverkar OOK bland annat i Business Finland-projektet TOCANEM – Towards Carbon-neutral Metals.
Varför är det viktigt att fakulteten för naturvetenskaper och teknik undervisar och forskar i korrosion av metaller? 1. Det är vetenskapligt intressant och fascinerande: nya frågor uppkommer kontinuerligt som vi inte vet svaret på. 2. Det är industriellt viktigt att förlänga livslängden på nya produkter till exempel inom grön energiteknologi. 3. För att bättre lära oss spara jordens begränsade metallresurser.
Oskar Karlström
Docent och akademiforskare i oorganisk kemi vid Åbo Akademi.