金属腐蚀|冷冰冰的金属机器“生病”了，科学家如何“医治”？_地震

金属水龙头主要成分是三氧化二铁，由红褐色的赤铁矿构成，需要经过开采、选矿、冶炼、浇铸和必要的成型等复杂的加工环节。尽管它们看起来光鲜亮丽，但是腐蚀才是他们的唯一宿命，并且需要人类付出极大的代价。有结论表明，我国每年因为腐蚀所造成的经济损失，占国民生产总值的5%左右。如何扼杀腐蚀？又怎么更好的利用腐蚀？
出品：格致论道讲坛
以下内容为中国科学院金属研究所材料环境腐蚀研究中心副研究员王长罡演讲实录：
首先，我要感谢SELF格致论道讲坛提供了这样一个平台，让我可以为腐蚀学做个宣传。腐蚀实在是太小太小的一门学科了，以至于很多人都质疑这门学科是否有存在的必要。
大家都是普通人。在中国，一个普通人身边有朋友从事科学研究，这本身就是个小概率事件，所以像我们这样从事科研工作的人往往会成为一个聚会或者饭局的话题中心，至少是一个子话题的中心。
相关话题往往是这样开头的。一两个内心尚存童趣的年轻女性朋友问我：“你们科学家平时都干什么？”今天上午就有人问过我这个问题。
尽管我远远称不上是科学家，不过我从对方的眼神里看出来，她对接下来的谈话是有预期的，甚至已经在脑海中形成了一些画面。
这个画面很有可能是这样的。

也有可能是这样的。

最起码也应该是这样的。

这两只可爱的猴子实在是太萌了，给我们的科普事业带来了巨大的贡献，很多女性因为它们的关系导致体内激素水平异常，母性大发，最终甚至爱上了科学。
因为我无法用类似刚才的三张图片来解释腐蚀科学，所以我搜肠刮肚想了一些符合逻辑的词汇，通过语言组织后给对方普及了一下什么是腐蚀。从对方失落的眼神里，我知道她脑中的画面瞬间变成了这样的。

现场变得非常尴尬，我内心的阴影面积也大到无法求证，最终不得不迅速转入下一个话题。
我特别能理解这些人当时的心情。因为在十多年前，刚接触腐蚀科学的时候，这种疑惑也曾长时间存在于我心中。
当我和腐蚀之间过了磨合期后，我慢慢喜欢上了它，并且开始觉得，在内心深处我其实是非常喜欢腐蚀的。甚至我强制性地告诉自己，有一种神秘的力量把我和腐蚀拉到一起，冥冥之中，我会在这个领域有所作为。
直到后来有一天，我知道了“一万小时定律”——如果一个普通人从事某项工作的时长超过1万小时，这个人即使再笨，也会成为该领域的专家。为此，我心灰意冷，因为我和腐蚀之间的这种微弱的好感可能仅仅是由于太熟悉了。
不过，接触腐蚀学时间长了以后， “一万小时定律”好像真的在我身上奏效了。因为当我开始思考一些腐蚀科学的问题时，发现它触碰到了我内心深处的人生终极问题。
每个人都有一个人生终极问题。虽然我自觉资质平庸，但是在很小的时候，可能是幼儿园或者是更小的时候，我曾经非常严肃地问过自己和家人：“人为什么活着？”从此以后，我就把问过类似问题的朋友归为了人生知己。
慢慢地，我开始接触哲学方面的著作，了解到在古代，有一个外国人也问过类似的问题，这个人就是柏拉图。
当然柏拉图追问的问题和我的问题并不完全相同，他把我的问题分成了三个子问题：我是谁？我从哪里来？我又要到哪里去？自此，我把柏拉图当成了跨时空的人生挚友。
但是我发现他并没有这样对我，因为除了这三句话，柏拉图的其他作品，我几乎看不太懂。所以到目前为止，我都无法说服自己：我从哪里来？我要到哪里去？
金属水龙头的前世、今生和未来
就在此时，腐蚀科学告诉我如何将复杂的模型简单化。虽然我无法说服我自己，但是我可以告诉他，一个金属做的水龙头，它的前世、今生和未来应该是什么样的？

我飞快地在脑中搜索材料科学的知识，设想这个金属水龙头的前世应该是这样的：赤铁矿，红褐色，主要成分是三氧化二铁。

当人们发现它以后，会进行开采，并经过选矿、冶炼、浇铸和必要的成型等复杂的、火光四溅的加工环节。

人们这样做的目的只有一个，就是将晶格中红色的氧原子，从铁矿石中拿出来。之后，再经过必要的加工，就可以得到这种光鲜亮丽的水龙头了，尽管这种光鲜亮丽只是暂时的。

为什么呢？因为氧原子虽然被拿了出来，但是它每时每刻都在想方设法重新回到水龙头中去。所以，几年之后，水龙头就变得锈迹斑斑。
再过几年，它有可能跑到了垃圾堆里。如果有幸可以回炉，它能够变成新的金属；如果不幸的话，它会重回大地，等待人们再一次开采，而这种概率是极低的。
回过头来重新审视一个水龙头的前世、今生和未来，你会发现，这种轮回般的宿命和佛教中所讨论的人生状态极为相似，当然在这里面我们要抛弃所有的神秘色彩。
我只想说一件事情，在座的各位，你身边所有的金属，目前的存在状态都是非常短暂的，并且是不稳定的。
腐蚀才是它们唯一的宿命，腐蚀之后的氧化状态才是它们能够永久存在的稳定状态。
腐蚀的代价
你可能想象不到，这样一个小小的金属腐蚀的宿命，却要我们人类付出极大的代价。
这个代价有多大呢？2013年，我国工程院院士柯伟做了这样一件事，他编纂了一部《中国腐蚀调查报告》。
这部报告对我国因腐蚀而造成的经济损失进行了系统的统计，相当于给腐蚀损耗算了一笔细账。这笔账涉及各行各业，包括我们身边所有的金属。

这个账是怎么算的呢？我们以一辆汽车的腐蚀损耗为例。据统计，一辆汽车每年平均花费在腐蚀上的费用是1260元。很多朋友会认为自己从未在汽车的腐蚀方面花过钱，这样一个有整有零的数字又是怎么算出来的？
其实大家不了解。除了加油之外，汽车其他所有的保养费用其实都花在了腐蚀上。比如，汽车的发动机会因为高温腐蚀、氧化磨损而失效，排气孔会发生露点腐蚀，汽车的底盘和表面喷漆也都是为了防腐蚀。
此外，整个车体的老化也是因为腐蚀。所以，一辆汽车每年花在腐蚀上的费用是1260元。
再举一个例子，是关于北京西直门立交桥的腐蚀问题。我国北方经常会下雪，为了除雪，人们常常要往地上撒一些除雪剂。
除雪剂的主要成分是氯化钠，其中的氯离子对于腐蚀来说是非常可怕的，因为它可以诱发几乎所有可能的腐蚀。
所以，当氯离子不断透过桥体进入到钢筋的时候，钢筋就会发生腐蚀。长此以往，立交桥的承载能力将大大下降。
为了弥补其承载能力的不足，人们要对立交桥进行修复，而修复的费用高达3000万元人民币。
林林总总这些事情统计起来后相加，柯伟院士得到了一个非常重要的结论：我国每年因为腐蚀所造成的经济损失，占国民生产总值的5%左右。
这是什么样的一个数字呢？我们以2008年这一年为例。这一年的国民生产总值是一个很长的数字，以至于我们没法念出来。
其中，腐蚀所造成的经济损失，可以用这个数字乘以5% ，最终得到的金额是1.6万亿元人民币。虽然这个数字比较简单，但对大部分人来说，还是没什么概念，因为数值太大了。
我再举个例子。同样是在2008年，我国汶川地区发生了5·12大地震，这个地震震惊世界，震级达到了8.0级。地震给我国造成的经济损失高达8000亿元人民币。
对比前面的数字，不难发现，我国每年因为腐蚀而造成的经济损失，相当于两个汶川大地震。
当然，汶川大地震给我们国民精神上带来的伤害是远远不能拿经济数字来衡量的，因为地震会摧毁我们的家园，夺走身边的亲人和朋友，甚至我们自己的生命，这种损失是巨大的。
有人可能会觉得，跟地震相比，每年因腐蚀而“烧”掉的这些钱咬咬牙也是可以接受的。但我要用一个血淋淋的例子告诉大家，当灾难真正来临时，腐蚀可一点都不比地震逊色。
这幅图是2013年11月22日的青岛市黄岛区。黄岛区有一个特点，地下有很多长输埋地管线，用来运输石油和天然气。
就在11月22日这一天，其中一根管线因为腐蚀，发生了穿孔泄漏，石油源源不断地流入地下，而且鬼使神差地流到了市政管网中去。

在市政管网这样一个密闭空间，如果里面出现了油气混合物，就会成为一个巨大的炸弹模型。而且非常不幸的是，这个炸弹确实碰到了明火，所以“嘭”的一声爆炸了，酿成了如下惨案：整条街道被掀翻，周围的汽车全都飞起几米甚至十几米高，四周房屋的玻璃几乎都被震碎。这次事故共造成62人死亡， 136人受伤。

当看到这么惨痛的教训发生的时候，我们是不是能够认识到腐蚀其实是很危险的？
回过头来，翻开《中国腐蚀调查报告》，我们会发现，这种事故在20世纪并不少见，而且通常发生在石油或者化工企业。其实，还有另外一个行业，也在每时每刻都跟腐蚀进行着博弈。

这是1986年之后的切尔诺贝利核电站，因为核泄漏，整个地区变成了无人区。

2011年，日本福岛核电站也发生了核泄漏、火灾和爆炸。
核能，既可以作为一种清洁、高效的能源，为大家所用，也可以被用来做成世界上最可怕的杀人武器，所以核能时时刻刻在“魔鬼”和“天使”之间变换着自己的身份。如果“天使”碰到了腐蚀，是不是会变成“魔鬼”呢？
在核电站的核反应堆中，几乎所有的构件都是由金属构成的，而且很多回路中有水化学环境。这意味着当电解质碰到金属后，会形成一个完整的腐蚀体系。
此外，反应堆当中的很多部位处于高温、高压的特殊极端环境中，这对腐蚀来说是极其敏感的。由此不难想象，核反应堆中几乎涵盖了所有可能发生的腐蚀形式，并且这些腐蚀会时常骚扰世界各地的核电站。

扼杀腐蚀
在座的各位，如果已经开始享受清洁的核能，听到我的介绍后，会不会对核能的应用有一些顾虑呢？
当然，我讲这些不是为了造成恐慌，而是为了告诉大家，特别是告诉那些对从事腐蚀科学研究的我们表示鄙夷的人，应该重视腐蚀。我们也会站出来，用专业手段将腐蚀扼杀在萌芽当中。
我们的工作和医生是完全相同的。虽然可能工作环境差别很大，但是我们的工作性质很像。医生的医疗对象可能是和蔼可亲的老奶奶，如果运气好的话，还会碰到漂亮的姑娘。
但是对于我来说，面对的永远是冷冰冰的机器设备。当然从某种角度来看，这个大家伙还是很有金属美感的，有一种美国大片的感觉。

这个大家伙是三峡集团用来发电的一个水轮机。当水流冲刷叶片时，带动水轮机旋转，将动能转换成电能。水轮机很大，直径有20多米长，人站在它的面前显得非常渺小。
当时，这个机器“生病”了，我用类似听诊器的设备观察，发现它“身上”有很多小的孔洞。这种孔洞用专业术语来说，叫作局部腐蚀，或者叫作点蚀。
它是一种非常特殊的腐蚀形式，跟我们之前看到的金属整体发生生锈腐蚀不同，是在一个或者几个小点上出现孔洞，而且由于它自身的阴离子聚集以及局部酸化所造成的自催化效应，这个点会逐渐在金属体内快速生长，且难以预测。

面对这种情况，我们要做的就如同医生在医院对患者所做的诊疗一样：先给水轮机开了很多单子，让它做相关检查，并根据检查报告，对其进行“病情”分析，最后针对“病情” ，给予适当的“治疗” 。
我们还会开具一份材料采购报告，并为其制定一个“健康的生活规律” ，比如说一份健康的运行报告。

此外，我们还会附带其他“治疗”手段，比如说缓蚀剂、阴极保护、涂装等等。如果问题实在太大了，医生一般会建议患者进行手术，我们则会建议企业更换设备。这就是我们如何利用专业手段抑制腐蚀、并将其扼杀在萌芽当中的工作过程。
除了常规诊治，很多大医院的医生也会做基础的科研工作，这些工作也正是我们腐蚀学人的主业，所以我的工作和医生是完全相同的。我们会就某一个腐蚀问题或某一种腐蚀形式进行深入研究，并同时探索如何利用腐蚀做一些对人类有益的事情。
利用腐蚀
《道德经》里面有这样一句话：“祸兮，福之所倚；福兮，祸之所伏。 ”也就是说，所有事物都具有两面性，而且这两面是在不断转化的。因而，在某些特殊的情况下，腐蚀并不是一个贬义词，反而会造福人类。
我们来猜一下这些人是什么人，他们在做什么。

他们是医生。当人的腿骨发生骨折的时候，医生会往腿骨中植入一个或几个骨钉，骨钉能起到固定作用，让腿骨慢慢愈合。
然而，当腿骨愈合之后，骨钉在腿骨上就显得违和了。首先是不美观，其次是可能引起一些其他问题，比如说引起炎症等。这时，医生需要把骨钉从患者的腿骨中拿出来。刚才他们做的事情就是把患者腿骨中的骨钉取出来。
我看到这个视频的时候，真是替患者捏把汗，担心好不容易长成的腿骨又被敲碎了。
手术的过程还是挺可怕的，尽管我们坚信每个医生都有自己的职业操守和专业素养，手术肯定是没问题的。
即使是这样，如此粗暴的动作肯定会对患者的身心造成不小的伤害。
如果这个过程消失了该有多好。换句话说，如果骨钉能够消失该多好。
从事结构材料研究的人，对有一种材料是非常讨厌的，那就是特别活泼的镁合金。它活泼到什么程度呢？
如果你把镁合金丢到海南去，几个月之后，它连人影都不见了，想要看镁合金生锈的“尸体”都没可能。它就是这么活泼。但这不正是我们现在所需要的吗？
我们可以利用活泼的镁合金，利用它快速的腐蚀速度，制作成可降解的镁合金骨钉，再把它植入到患者的腿骨中去。我们可以针对不同的患者、不同的康复周期，制备不同使用寿命的镁合金骨钉。
当患者的腿骨长好之后，骨钉会自行融化消失，而且在这一过程中释放出的镁离子正好是人体所需要的微量元素。多么完美的一个组合！

当然，腐蚀的应用远不止于此，还有可降解的支架或者电路板的刻蚀等等。我相信未来还会有更多的领域等待我们去开发和探索。
经过以上的介绍，大家对腐蚀科学和我们的工作可能已经有了一定的了解。一个水龙头经过百千万亿年的等待，经过百炼成钢的浴火重生，它们所追求的仅仅是几万个小时的稳定服役。
我们腐蚀人也正是致力于此，致力于将每一个金属的短暂生命发挥到极致，造福于人，就像美丽的樱花一样，绚烂而短暂，向死而生。
感谢大家聆听我的演讲，感谢大家关注腐蚀科学。谢谢！
【金属腐蚀|冷冰冰的金属机器“生病”了，科学家如何“医治”？】“格致论道” ，原称“SELF格致论道” ，是中国科学院全力推出的科学文化讲坛，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院科学传播局联合主办，中国科普博览承办。致力于非凡思想的跨界传播，旨在以“格物致知”的精神探讨科技、教育、生活、未来的发展。获取更多信息。本文出品自“格致论道讲坛”公众号（SELFtalks），转载请注明公众号出处，未经授权不得转载。

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