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为解决温和钢在 HCl 环境中易腐蚀的问题，研究人员开展了丙氨酸、精氨酸、半胱氨酸和酪氨酸对温和钢（110）腐蚀抑制的研究。通过 MC 模拟和 DFT 研究，发现酪氨酸抑制效果最佳，该研究为开发绿色缓蚀剂提供理论依据。
在工业领域，温和钢（Mild Steel，MS）凭借其价格低廉、性能高效的特点，成为众多行业不可或缺的结构材料。然而，它却有个 “致命弱点”，那就是在酸性环境中极易被腐蚀。就好比一位勇士，在充满腐蚀性的 “酸液战场” 里，毫无还手之力，轻易地就被侵蚀得千疮百孔。温和钢中碳含量较低，仅占总重量的 0.05% - 0.29%，这使得它的耐腐蚀能力较差。在工业生产中，大量温和钢的使用，不仅导致金属材料的浪费，还可能引发安全事故，造成巨大的经济损失。比如在一些化工企业，由于设备中的温和钢部件被腐蚀，可能导致有害物质泄漏，污染环境，威胁人们的生命健康。而且，传统的金属防腐蚀技术，如合成有机和无机化合物缓蚀剂，虽然有一定的效果，但存在高消耗、低效率、污染环境和易沉淀等缺点，无法满足现代工业绿色发展的需求。所以，寻找一种高效、经济又环保的金属防腐蚀方法迫在眉睫。
在这样的背景下，研究人员开始探索新的防腐蚀途径。他们将目光聚焦在了氨基酸上。氨基酸，这个在生命活动中扮演重要角色的物质，是否能成为温和钢的 “保护神” 呢？来自未知研究机构的研究人员开展了一项关于丙氨酸（Alanine）、精氨酸（Arginine）、半胱氨酸（Cysteine）和酪氨酸（Tyrosine）对温和钢（110）在气相和水相中腐蚀抑制的研究。通过一系列研究，他们发现这些氨基酸有着令人惊喜的防腐蚀能力，这一成果发表在《Extreme Materials》上，为金属防腐蚀领域带来了新的希望。
研究人员在此次研究中，主要运用了两种关键技术方法。一是蒙特卡罗模拟（Monte Carlo simulation，MC），这是一种利用随机采样来研究复杂系统行为的计算方法。研究人员借助 Materials Studio 软件中的吸附定位模型（Adsorption Locator Model，ALM）模块，对氨基酸分子在 Fe (110) 表面的吸附过程进行模拟。二是密度泛函理论（Density Functional Theory，DFT）计算，通过在 Argus lab 和 Gaussian 3 软件中进行计算，研究人员得到了分子的前沿轨道分布和其他量子化学参数，从而深入了解腐蚀抑制剂的分子反应性、电荷转移以及构效关系 。
下面来看看具体的研究结果：
- MC 模拟结果：通过 MC 模拟，研究人员发现氨基酸分子在 Fe (110) 表面的吸附行为十分有趣。这些氨基酸分子几乎平行地排列在 Fe (110) 表面，就像给金属表面穿上了一层整齐的 “防护衣”，有效地阻挡了像 Cl-这样具有攻击性的离子。而且，吸附能（Eads）的值为负，这意味着吸附过程是放热且自发的，表明抑制剂与 Fe (110) 表面形成了稳定而牢固的键。在几种氨基酸中，酪氨酸的吸附能最强，达到了约 - 2.93×105 kcal/mol，这使得它成为抑制腐蚀的 “佼佼者”；而精氨酸的吸附能最小，仅为 191.01 kcal/mol，抑制效果相对较弱。综合来看，几种氨基酸的抑制性能顺序为：酪氨酸 > 半胱氨酸 > 丙氨酸 > 精氨酸。此外，氨基酸分子的吸附能远高于水分子，这说明它们能够将水分子 “挤开”，牢固地吸附在金属表面，形成一层疏水的保护层，阻止腐蚀性介质与金属基体接触。
- DFT 研究结果：根据 DFT 研究，分子的最高占据分子轨道（Highest Occupied Molecular Orbital，HOMO）和最低未占据分子轨道（Lowest Unoccupied Molecular Orbital，LUMO）能反映出腐蚀抑制剂的形态和吸附位点，对判断抑制剂的抑制活性至关重要。半胱氨酸和酪氨酸分子的 LUMO - HOMO 能隙（ΔE）分别为 7.49 eV 和 7.74 eV ，相对较小，这表明它们具有较高的反应活性，能更有效地抑制腐蚀。而丙氨酸和精氨酸分子的 ΔE 值分别为 8.9 eV 和 8.04 eV，反应活性相对较低。从全局硬度和电负性等参数来看，半胱氨酸和酪氨酸分子的全局硬度较低、全局软度较高，这使得它们在 Fe (110) 表面具有较高的抑制作用。在这些分子中，氧、氮和硫原子以及 π 键负责向 Fe 表面提供电子，电荷分布在这些原子和键上发生了离域。而且，分子的电离势和电子亲和能也表明，具有较高的这些值时，更有利于在金属表面形成稳定的复合物，从而增强腐蚀抑制效果。
研究结论和讨论部分再次强调了这些发现的重要意义。通过 MC 模拟和 DFT 研究，研究人员深入了解了氨基酸分子在 Fe (110) 表面的吸附过程以及它们的腐蚀抑制机制。这不仅为开发更有效的绿色缓蚀剂提供了理论基础，也为金属防腐蚀技术的发展开辟了新的方向。研究结果表明，氨基酸有望成为一种新型、高效且可持续的抗腐蚀剂，应用于酸洗和清洁等工业过程中。未来，基于这些研究成果，或许能开发出更多大规模应用的绿色缓蚀剂，推动生态友好型工业进程的发展，让温和钢在各种恶劣环境中都能得到更好的保护，减少金属腐蚀带来的危害。
