Группа исследователей из Университета Миннесоты в городе Миннеаполис изучила новый метод производства железа, основного компонента стали. Впервые учёные смогли наблюдать химические реакции и формирование железа в реальном времени на нанометровом уровне.
Этот прорыв может преобразовать глобальную металлургическую отрасль
Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, открывает новые возможности для повышения энергоэффективности и снижения затрат.
Согласно статье, металлургическая промышленность является крупнейшим промышленным источником выбросов углекислого газа, ответственным примерно за 7% от общего объёма мировых выбросов CO₂. Традиционные методы производства железа связаны с загрязнением окружающей среды, поскольку для удаления кислорода из железной руды используется кокс — вид угля. Этот процесс практически не менялся на протяжении веков.
Новый метод исключает выбросы CO₂
Новый процесс использует плазменный водород — ионизированный газ, который диссоциирует газообразный водород, образуя большое количество высокореактивных атомов водорода. Когда железо подвергается воздействию этой плазмы, высокореактивные атомы водорода удаляют кислород из руды, производя чистое железо и водяной пар.
«Мы разработали новую технику, которая позволяет нам отслеживать взаимодействие плазмы с материалами на нанометровом уровне, чего раньше никогда не делалось», — сказал Джэ Хён Нам, первый автор статьи и аспирант кафедры машиностроения Университета Миннесоты.
Команда сотрудничала с компанией Hummingbird Scientific, которая производит продукцию для электронной, рентгеновской и ионной микроскопии, чтобы создать специализированный держатель, который помещается внутрь просвечивающего электронного микроскопа.
«Преодоление технических сложностей, связанных с этим исследованием, было одним из самых сложных экспериментов, которые мы проводили», — сказал Питер Брюггеман, старший автор статьи и заслуженный профессор Университета Миннесоты в области машиностроения. «Генерация плазмы в масштабе, сопоставимом с размером человеческого волоса, что необходимо для получения нанометрового разрешения, создаёт значительные инженерные проблемы, которые мы совместно решали с Hummingbird Scientific».
Предыдущие оптические методы позволяли наблюдать объекты размером в несколько сотен нанометров
Предыдущие оптические методы позволяли наблюдать объекты размером в несколько сотен нанометров — примерно в тысячу раз меньше диаметра человеческого волоса. Новый метод позволит исследователям увидеть объекты с нанометровым разрешением, что в 100 раз лучше, чем в предыдущих исследованиях.
«Создание плазмы может быть намного более энергоэффективным, чем нагрев материала», — сказал Андре Мхоян, старший автор статьи, профессор и заведующий кафедрой химического машиностроения и материаловедения Университета Миннесоты. «Это нововведение может привести к модификации материалов при более низком энергопотреблении, что в конечном итоге сделает процессы более экономически эффективными».
Предоставлено Университетом Миннесоты.