銅憑借優(yōu)異的導熱導電性，在工業(yè)與海洋工程領域得到廣泛應用。通常，銅表面在堿性環(huán)境中可形成以氧化亞銅為主的鈍化保護膜，來有效抑制腐蝕。然而，在富含氯離子的海洋環(huán)境中，該保護膜極易破壞脫落，繼而導致材料失效。此前，有研究提出應力誘導斷裂、局部溶解變薄、孔洞誘導坍塌等多種失效機制，但學界對氯離子如何在原子尺度上促進氧化亞銅鈍化膜破裂的精確過程與主導機制尚不明晰。

為準確理解這一機制，中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員常可可、副研究員樂家波和徐凱綜合運用第一性原理熱力學計算，并基于機器學習勢的分子動力學模擬及約束分子動力學等先進計算方法取得了突破性發(fā)現(xiàn)：氯離子在氧化亞銅表面發(fā)生強化學吸附；氯離子表面吸附顯著降低了銅原子溶出能壘；氯離子吸附導致表面空位形成速率遠超內(nèi)部擴散速率。

基于上述原子尺度的發(fā)現(xiàn)，研究人員從微觀動力學層面揭示了局部溶解變薄機制為氯離子誘發(fā)氧化亞銅保護膜破壞的主導機制。這一機制核心在于氯離子吸附強力加速了表層銅原子的溶解流失，同時顯著抑制了表面空位向材料內(nèi)部的擴散速率。這種空位形成與擴散的巨大速率差異導致高濃度的表面空位無法及時“愈合”，從而在局部區(qū)域引發(fā)鈍化膜急劇減薄并最終破裂。

近日，相關研究成果以Atomistic insights into chloride-induced depassivation mechanisms of protective Cu₂O films in marine environments為題，發(fā)表在《腐蝕科學》（Corrosion Science）上。研究工作得到國家自然科學基金委員會、中國科學院等的支持。

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相關計算方法和結果

氧化亞銅腐蝕溶解機理示意圖