Ученые из Университетов Миннеаполиса и Сент-Пола изучила новый метод производства железа — основного компонента стали. Впервые ученые смогли наблюдать за химическими реакциями и образованием железа в режиме реального времени на нанометровом уровне. Это открытие может изменить мировую индустрию производства железа и стали за счёт повышения энергоэффективности и снижения затрат. Исследование было опубликовано в Nature Communications, рецензируемом научном журнале.
Производство чёрных металлов – один из основных промышленных источников выбросов углекислого газа, обеспечивающий примерно 7 % от глобального объёма этих выбросов. Традиционные способы изготовления железа оказывают существенное негативное воздействие на экологию, поскольку для извлечения кислорода из железной руды применяется кокс – продукт переработки угля. Данная технология практически не претерпевала изменений на протяжении столетий.
Новый метод исключает выбросы CO2, эти проблемы, которые обычно сопровождают процесс изготовления железа, можно решить при обычной температуре. Это позволяет сделать производство более результативным и перспективным для применения в промышленности, а также создает условия для внедрения новых решений в сфере обработки материалов.
Для проведения исследований ученые задействовали плазму газообразного водорода – ионизированный газ, способный расщеплять газообразный водород и создавать значительное количество высокоактивных атомов водорода. При взаимодействии железа с этой плазмой, атомы водорода, обладающие высокой реакционной способностью, удаляют кислород из руды, что приводит к образованию чистого железа и водяного пара.
«Наша команда создала методику, позволяющую наблюдать за тем, как плазма воздействует на материалы с разрешением в нанометры, что ранее было невозможно», — заявил Джэ Хён Нам, ведущий автор публикации и аспирант кафедры машиностроения Миннесотского университета.
Разработанный командой держатель предназначен для использования внутри просвечивающего электронного микроскопа. По словам Питера Брюггемана, старшего автора статьи, преодоление технических сложностей, возникших в процессе исследования, стало одним из самых непростых экспериментов. Создание плазмы, размеры которой сопоставимы с человеческим волосом, необходимой для достижения нанометрового разрешения, представляет собой серьезную техническую задачу».
Ранее оптические технологии обеспечивали визуализацию объектов, размер которых составлял несколько сотен нанометров – это примерно в тысячу раз меньше диаметра человеческого волоса. Новая методика позволит наблюдать объекты с разрешением, превышающим прежнее в сто раз.
«По словам Андре Мхояна, старшего автора публикации, формирование плазмы может оказаться значительно более экономичным с точки зрения энергозатрат, чем прямой нагрев материала. Эта разработка позволит модифицировать материалы, потребляя меньше энергии, что, в свою очередь, повысит экономическую целесообразность производственных процессов».
[Фото: Kalie Pluchel, University of Minnesota]