本文最初发表在 The Conversation 上。
什么是锈蚀？——来自马萨诸塞州波士顿的 Henry E.，13 岁
想象一下，你把闪亮的金属自行车留在雨中。当水积聚在其表面时，空气中的氧气会在附近徘徊，它们会开始悄悄地侵蚀金属。
自行车中的铁与环境中的氧气和水一起发生化学反应。它会形成氧化铁——也就是我们所熟知的铁锈，并且会随着时间的推移而累积。这种红褐色、易剥落的物质不仅仅是难看；它是金属正在分解的迹象。
化学家们称这个过程为氧化。你可以把铁想象成一个超级英雄——坚韧、耐用、闪亮——直到它遇到了它的“氪石”：湿气和空气。水有助于铁原子更容易地失去电子，电子是带负电的粒子。氧气就像一个微小的电子窃贼，窃取这些电子，使金属变得脆弱易碎。
我们在家庭和工业中使用的闪亮金属铁，是自然界中铁矿石的精炼形式。锈蚀是一个自然过程——精炼后的铁实际上是在试图回到其原始的氧化、稳定的状态：铁矿石。
从自行车和汽车到桥梁和船舶
从家用设备到宏伟的机器，只要金属遇到湿气和时间，锈蚀就会无处不在。
在自行车和汽车上，雨水和裸露金属的结合常常会引发全面的锈蚀，侵蚀车架和底盘。旧水管是另一个重灾区——随着时间的推移，它们会从内部腐蚀，经常将棕色的锈水漏入水槽和浴缸。在厨房里，水槽或水龙头周围残留的水会留下黄橙色的锈迹，这些锈迹既难看又难以清除。
在更大的规模上，锈蚀会对船舶和桥梁造成严重破坏。腐蚀的船体可能导致漏油，甚至灾难性的沉没，每年给航运业造成数十亿美元的维修和环境损害。
还有一个转折——盐会加速锈蚀过程。在有雪的地区，路面上的盐不仅融化冰；它还会给氧化加速，加快腐蚀过程。这就是为什么有雪的地方的汽车可能锈蚀得更快。
锈蚀是指铁或钢特有的腐蚀类型。但任何金属都可能因与氧气和湿气等环境因素发生反应而发生化学降解。
就连旧雕像也无法幸免。你在公园和广场上看到的那些绿蓝色的雕像？那不是油漆；那是铜绿，是铜的“锈蚀”形式。尽管铜绿更具视觉吸引力，但它仍然是一种腐蚀。
如何阻止锈蚀？
通过了解锈蚀背后的化学原理，人们已经找到了巧妙的方法来减缓甚至完全阻止它，从而保护从桥梁到自行车的各种物品。
最简单的方法之一是给金属表面上漆。油漆就像一件防水外套，将金属与空气和湿气隔离开——这是锈蚀的两个关键成分。
保持金属干燥是另一种实用的防护方法。工具通常存放在干燥的地方或与除湿机一起存放，以尽量减少湿气。
另一种技术，称为镀锌，是用一种更活泼的金属（如锌）涂覆另一种金属。锌比铁更容易腐蚀，在暴露于空气和湿气时形成一层稳定的氧化锌。氧化锌是防止进一步腐蚀的保护屏障——直到它逐渐磨损，使下面的铁再次容易生锈。
还有不锈钢：一种耐腐蚀的混合物，称为合金，由铁和其他金属（如铬）组成。当暴露在空气中时，铬会发生自己的“锈蚀”，形成一层稳定的氧化铬。
这一层非常薄，比一根头发丝薄 10 万倍。它肉眼看不见，紧密地附着在金属表面，并阻止更多的氧气和水分接触到下面的金属。这就是不锈钢耐受持续腐蚀的原因——不像铁，它的锈层是多孔的，允许反应继续进行。
在原子层面观察锈蚀
我是一名材料科学家，我使用先进的成像工具，如透射电子显微镜，在原子尺度上研究金属的氧化过程。我们实际上可以看到微小的金属原子失去电子，氧原子获得电子，实时发生腐蚀。
例如，在一项研究中，我们观察到当铝暴露在氧气或水蒸气中时，一层薄薄的氧化铝会立即形成。这种氧化层不像铁上的锈那样剥落；相反，它形成一层均匀、紧密结合的保护涂层，阻止任何更多的氧气和水分接触到下面的金属。这就是为什么铝能抵抗持续的腐蚀——不像铁，它的锈层是多孔的，允许反应继续进行。
氧化作用既有害（导致生锈），也有益（当用于保护金属时）。通过实时观察这些过程，我的同事和我旨在创造更耐用、在日常生活中表现更好的材料——例如，建造更坚固的桥梁、更高效的电池和更安全的飞机。
你好，好奇的孩子们！你有一个想让专家回答的问题吗？请让成人将你的问题发送至CuriousKidsUS@theconversation.com。请告诉我们你的名字、年龄和居住城市。
既然好奇心没有年龄限制——成年人，也请告诉我们你们的疑问。我们无法回答所有问题，但我们会尽力而为。本文最初发表在 The Conversation 上。
