Nhôm được biết đến là một kim loại có khả năng chống chịu tốt trong môi trường không khí và nước. Tuy nhiên, liệu “bền” có đồng nghĩa với việc không bị gỉ? Thực tế, mọi kim loại đều trải qua quá trình ăn mòn ở một mức độ nào đó, và sự khác biệt nằm ở tốc độ và hình thức ăn mòn. Vậy, nhôm thể hiện sự bền bỉ trong môi trường không khí như thế nào?
Nhôm và Sắt: So sánh về độ bền trong không khí
Nhiều người tin rằng nhôm khó bị gỉ và bền hơn sắt khi tiếp xúc với không khí. Tuy nhiên, trên thực tế, nhôm dễ bị ăn mòn hơn sắt. Sự khác biệt nằm ở cách thức ăn mòn diễn ra. Khi nhôm bị ăn mòn, nó không tạo ra bề mặt rỗ, sần sùi như sắt. Thay vào đó, nó hình thành một lớp gỉ mỏng, mịn và cực kỳ bền, bao phủ hoàn toàn bề mặt bên ngoài.
Lớp oxit nhôm này là yếu tố then chốt tạo nên khả năng “Nhôm Bền Trong Không Khí”.
Bản chất của lớp gỉ trên bề mặt kim loại
Lớp gỉ trên bề mặt kim loại thực chất là lớp oxit kim loại, hình thành do tác dụng của hơi ẩm và oxy trong không khí. Đây là một phản ứng hóa học chậm. Khi sắt bị gỉ, nó tạo ra một lớp oxit sắt xốp. Tính chất xốp này cho phép oxy tiếp tục lọt qua lớp oxit và tác dụng với lớp sắt kim loại bên trong, dẫn đến quá trình ăn mòn liên tục.
Hình ảnh minh họa sự khác biệt trong quá trình hình thành gỉ giữa sắt và nhôm, làm nổi bật khả năng bảo vệ của lớp oxit nhôm.
Nhôm lại hoạt động khác. Khi nhôm tác dụng chậm với oxy và hơi nước, nó tạo thành một lớp nhôm oxit (Al2O3). Lớp oxit này bám rất chắc vào bề mặt nhôm và ngăn chặn hoàn toàn oxy tiếp xúc trực tiếp với nhôm. Do đó, nhôm bền trong môi trường không khí là nhờ lớp bảo vệ nhôm oxit này.
Đặc điểm vật lý và hóa học của lớp màng bảo vệ nhôm oxit
Lớp nhôm oxit trên bề mặt rất mỏng, chỉ khoảng 0,00001mm hoặc dày hơn một chút. Trong công nghiệp, để tăng độ bền cho các sản phẩm nhôm, người ta thường xử lý bề mặt bằng dung dịch natri sunfat 20% và dung dịch axit nitric 10% để tăng độ dày của lớp oxit nhôm. Điều này giải thích tại sao các sản phẩm nhôm mới thường có màu trắng xám đục hoặc màu vàng.
Hình ảnh thể hiện quy trình xử lý bề mặt nhôm, nhấn mạnh vai trò của dung dịch hóa học trong việc tạo lớp oxit bảo vệ dày hơn.
Về mặt hóa học, lớp màng oxit này dễ bị tấn công bởi axit đặc nóng, axit loãng và kiềm vì chúng có thể xảy ra phản ứng hóa học. Do đó, đồ dùng bằng nhôm thích hợp để nấu cơm, đun nước nhưng không nên dùng để đựng các chất dễ sinh axit hoặc kiềm, vôi. Tuy nhiên, lớp màng oxit nhôm lại thụ động trong dung dịch axit.
Nhiều người thường có thói quen đánh bóng đồ dùng bằng nhôm để loại bỏ vết xỉn. Tuy nhiên, việc dùng cát để đánh bóng có thể làm mất lớp oxit nhôm bảo vệ do ma sát. Còn dùng cây cỏ có thể làm thoát ra những chất có tính kiềm như kali cacbonat, chất có thể hòa tan lớp oxit nhôm. Do đó, các biện pháp đánh bóng bề mặt đồ dùng bằng nhôm như trên là không khoa học.
Hình ảnh cảnh báo về việc đánh bóng nhôm không đúng cách, làm mất lớp bảo vệ tự nhiên và giảm tuổi thọ của sản phẩm.
Mặc dù bề mặt nhôm có thể trở nên sáng bóng ngay lập tức sau khi đánh bóng, nhưng không lâu sau, lớp oxit nhôm bảo vệ sẽ hình thành trở lại. Nếu tiếp tục đánh bóng, nhôm sẽ tiếp tục bị oxy hóa và lại bị phủ một lớp mờ xám, mờ đục. Sau mỗi lần đánh bóng, bề mặt nhôm lại mòn đi một ít, làm giảm thời hạn sử dụng.
Chế tạo nhôm hợp kim bền hơn trong không khí
Các nhà nghiên cứu đã phát triển một kỹ thuật thiết kế cấu trúc theo tỉ lệ nano để tạo ra một hợp kim nhôm bền trong môi trường không khí như thép, có độ dẻo để kéo dãn và không bị đứt gãy khi bị nén. Dự án này được thực hiện bởi tiến sĩ Yuntian Zhu, giáo sư khoa học vật liệu tại đại học Bắc Carolina, cùng các cộng sự từ đại học Sydney (Úc), đại học California Davis và đại học kỹ thuật hàng không Ufa (Nga).
Hình ảnh minh họa cấu trúc nano của hợp kim nhôm, cho thấy tiềm năng vượt trội về độ bền và khả năng ứng dụng.
Nhôm hợp kim này có các yếu tố cấu trúc rất độc đáo. Khi được kết hợp để tạo thành dạng cấu trúc phân tầng theo các tỉ lệ nano, nó trở nên rất bền và dễ uốn.
Hợp kim nhôm này cũng bao gồm các khối kết cấu rất nhỏ được gọi là các “thớ”, nhỏ hơn sợi tóc người hàng ngàn lần. Mỗi thớ là một tinh thể có kích thước bé hơn 100nm. Giáo sư Zhu cho biết, thớ càng nhỏ thì kim loại càng bền. Bên cạnh các tinh thể hoàn hảo, cũng tồn tại rất nhiều dạng khiếm khuyết. Các tinh thể nano bị khiếm khuyết sẽ bền hơn các tinh thể toàn diện.
