La observación de los efectos de hidrógeno en el metal

Hidrógeno, la segunda más pequeña de todos los átomos, puede penetrar a la derecha en la estructura cristalina de un metal sólido. Eso es una buena noticia para los esfuerzos de combustible a almacenar hidrógeno de forma segura dentro del propio metal, pero es una mala noticia para estructuras tales como los recipientes a presión en las plantas nucleares, donde la absorción de hidrógeno con el tiempo hace que las paredes metálicas de la embarcación más frágil, que puede conducir a insuficiencia. Pero este proceso de fragilización es difícil de observar debido a los átomos de hidrógeno se difunden muy rápido, incluso en el interior del metal sólido.

Esta ilustración muestra los principales elementos del sistema del equipo utilizado: La losa multicolor en el centro es la capa de metal que está siendo estudiado, la región azul pálido a la izquierda es la solución de electrolito usado como una fuente de hidrógeno, los pequeños puntos azules son los átomos de hidrógeno, y los rayos láser verdes de la derecha están investigando el proceso. El cilindro grande a la derecha es una sonda utilizada para sangrar el metal a prueba sus propiedades mecánicas. Cortesía de los investigadores

Ahora, investigadores del MIT han descubierto una manera de resolver ese problema, la creación de una nueva técnica que permite la observación de una superficie de metal durante la penetración de hidrógeno. Sus hallazgos se describen en un artículo que aparece hoy en el International Journal of Hydrogen Energy, por el MIT postdoctorado Jinwoo Kim y Thomas B. Rey Profesor Adjunto de Metalurgia C. Cem Tasan.

“Sin duda es una herramienta fresca,”Dice Chris San Marchi, un distinguido miembro del personal técnico de los Laboratorios Nacionales de Sandia, quien no estuvo involucrado en este trabajo. “Esta nueva plataforma de imágenes tiene el potencial para hacer frente a algunas preguntas interesantes sobre el transporte de hidrógeno y la captura de los materiales, y potencialmente sobre el papel de la cristalografía y microestructurales constituyentes en el proceso de fragilización.”

El combustible de hidrógeno es considerado como una herramienta potencialmente importante para limitar el cambio climático global, ya que es un combustible de alta energía que con el tiempo podría ser utilizado en automóviles y aviones. sin embargo, Se necesitan tanques de alta presión caros y pesados ​​para contenerla. Almacenamiento del combustible en la red cristalina del propio metal podría ser más barato, encendedor, y más seguro - pero primero el proceso de cómo entra hidrógeno y deja el metal debe entenderse mejor.

“El hidrógeno puede difundirse a tasas relativamente altas en el metal, porque es tan pequeña,”Dice Tasan. “Si se toma un metal y lo pone en un ambiente rico en hidrógeno, será la captación del hidrógeno, y esto provoca la fragilización por hidrógeno," él dice. Eso es debido a que los átomos de hidrógeno tienden a segregarse en ciertas partes de la red cristalina del metal, debilitando sus enlaces químicos.

La nueva manera de observar el proceso de fragilización como ocurre puede ayudar a revelar cómo la fragilización se desencadena, y puede sugerir formas de frenar el proceso de - o de evitar que mediante el diseño de aleaciones que sean menos vulnerables a la fragilización.

de Sandia San Marchi dice que “este método puede desempeñar un papel importante - en coordinación con otras técnicas de simulación y - para iluminar las interacciones de hidrógeno de defectos que conducen a la fragilización por hidrógeno. Con más amplia comprensión de los mecanismos de fragilización por hidrógeno, materiales y microestructuras pueden ser diseñados para mejorar su rendimiento en ambientes de hidrógeno extremas “.

La clave para el nuevo proceso de seguimiento fue la elaboración de una manera de exponer las superficies de metal a un ambiente de hidrógeno mientras que dentro de la cámara de vacío de un microscopio electrónico de barrido (SEM). Debido a que el SEM requiere un vacío para su funcionamiento, gas de hidrógeno no se puede cargar en el metal en el interior del instrumento, y si precargado, el gas se difunde rápidamente. En lugar, los investigadores utilizaron un electrolito líquido que podría estar contenida en una cámara bien sellada, donde se expone a la parte inferior de una hoja delgada de metal. La parte superior del metal se expone al haz de electrones SEM, que luego puede probar la estructura del metal y observar los efectos de los átomos de hidrógeno migrar en él.

El hidrógeno del electrolito “difunde todo el camino a través de la parte superior” del metal, donde se pueden ver sus efectos, Tasan dice. El diseño básico de este sistema contenida también podría utilizarse en otros tipos de instrumentos basados ​​en el vacío para detectar otras propiedades. “Es una configuración única. Hasta donde sabemos, el único en el mundo que pueda darse cuenta de algo como esto," él dice.

En sus pruebas iniciales de tres metales diferentes - dos tipos diferentes de acero inoxidable y una aleación de titanio - los investigadores ya han hecho algunos nuevos hallazgos. Por ejemplo, que observaron el proceso de formación y el crecimiento de una fase de hidruro de nanoescala en la aleación de titanio más utilizada, a temperatura ambiente y en tiempo real.

La elaboración de un sistema a prueba de fugas fue crucial para que el proceso funcione. El electrolito necesario para cargar el metal con hidrógeno, “Es un poco peligroso para el microscopio,”Dice Tasan. “Si la muestra falla y el electrolito se libera en la cámara de microscopio,”Que podría penetrar profundamente en todos los rincones del dispositivo y ser difícil de limpiar. Cuando llegó el momento de llevar a cabo su primer experimento en el equipo especializado y costoso, él dice, "estabamos emocionados, pero también muy nervioso. Era poco probable que la falla se va a tener lugar, pero siempre hay ese miedo “.

Kaneaki Tsuzaki, un distinguido profesor de ingeniería química en la Universidad de Kyushu en Japón, quien no estuvo involucrado en esta investigación, dice que esto “podría ser una técnica clave para resolver la forma de hidrógeno afecta movimiento de la dislocación. Es muy difícil porque una solución de ácido para la carga catódica de hidrógeno está circulando en una cámara de SEM. Es una de las medidas más peligrosos para la máquina. Si las articulaciones de circulación de fugas, un microscopio electrónico de barrido muy caro (SEM) sería roto debido a la solución de ácido. Un diseño muy cuidado y una configuración muy alta calificación son necesarios para hacer de este equipo de medición “.

Tsuzaki añade que “una vez que se logra, salidas de este método sería súper. Tiene muy alta resolución espacial debido a la SEM; da observaciones in situ en atmósfera de hidrógeno bien controlada.”Como resultado, él dice, cree que Tasan y Kim “obtendrán nuevos hallazgos de movimiento de la dislocación de hidrógeno asistida por este nuevo método, resolver el mecanismo de la degradación mecánica de hidrógeno inducida, y desarrollar nuevos materiales de hidrógeno-resistente “.

Fuente: http://news.mit.edu, por David L. Velero