Исследовательская группа из Университета 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.
Чёрная металлургия является крупнейшим промышленным источником выбросов углекислого газа, на её долю приходится около 7 % от общего объёма выбросов углекислого газа в мире. Традиционные методы производства железа сильно загрязняют окружающую среду, поскольку для удаления кислорода из железной руды используется кокс — разновидность угля. Этот процесс практически не менялся на протяжении веков.
Новый метод исключает выбросы CO2, которые традиционно возникали при производстве железа. Их можно устранить при комнатной температуре. Это делает производство потенциально более эффективным и востребованным в промышленности, а также открывает возможности для инноваций в обрабатывающей промышленности.
Ученые использовали плазму газообразного водорода — 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, в результате чего получается чистое железо и водяной пар.
«Мы разработали методику, которая позволяет отслеживать взаимодействие плазмы с материалами на нанометровом уровне, чего раньше никто не делал», — сказал Джэ Хён Нам, первый автор статьи и аспирант кафедры машиностроения Миннесотского университета.
Команда создала держатель, который помещается внутри просвечивающего электронного микроскопа. «Преодоление технических трудностей, связанных с исследованием, было одним из самых сложных экспериментов, которые мы проводили, — сказал Питер Брюггеман, старший автор статьи. — Создание плазмы размером с человеческий волос, необходимое для получения нанометрового разрешения, сопряжено со значительными техническими трудностями».
Предыдущие оптические методы позволяли видеть объекты размером всего в несколько сотен нанометров — примерно в 1000 раз меньше диаметра человеческого волоса. Новый способ позволит видеть объекты в 100 раз лучше.
«Создание плазмы может быть гораздо более энергоэффективным, чем нагрев материала, — говорит Андре Мхоян, старший автор статьи. — Это нововведение приведет к модификации материалов с меньшим энергопотреблением, что сделает процессы более экономически эффективными».
