Osservando gli effetti di idrogeno in metallo

Idrogeno, il secondo più piccolo di tutti gli atomi, può penetrare destra nella struttura cristallina di un metallo solido. Questa è una buona notizia per gli sforzi per conservare il combustibile a idrogeno in modo sicuro all'interno del metallo stesso, ma è una cattiva notizia per strutture come i recipienti a pressione negli impianti nucleari, dove idrogeno assorbimento casualmente rende pareti metalliche del vaso più fragile, che può portare al fallimento. Ma questo processo infragilimento è difficile da osservare perché gli atomi di idrogeno diffondono molto velocemente, anche all'interno del metallo solido.

Questa illustrazione descrive gli elementi principali del sistema il team ha utilizzato: La lastra multicolore al centro è lo strato metallico di essere studiati, la regione blu pallido a sinistra è la soluzione elettrolitica utilizzata come fonte di idrogeno, i piccoli punti blu sono atomi di idrogeno, e il laser verde fasci a destra sono sondare il processo. Il grande cilindro a destra è una sonda usata per far rientrare il metallo per testare le proprietà meccaniche. Per gentile concessione dei ricercatori

Adesso, i ricercatori del MIT hanno trovato un modo per aggirare questo problema, creazione di una nuova tecnica che consente l'osservazione di una superficie metallica durante la penetrazione idrogeno. I loro risultati sono descritti in un documento che figurano oggi nel International Journal of Hydrogen Energy, da MIT postdoc Jinwoo Kim e Thomas B. Re Assistant Professor di Metallurgia C. Cem Tasan.

“E 'sicuramente un freddo strumento,”Dice Chris San Marchi, un illustre membro dello staff tecnico presso i Sandia Laboratories Nazionale, che non è stato coinvolto in questo lavoro. “Questa nuova piattaforma di imaging ha il potenziale per affrontare alcune questioni interessanti circa il trasporto dell'idrogeno e la cattura in materiali, e potenzialmente sul ruolo della cristallografia e microstrutturali costituenti sul processo di infragilimento.”

idrogeno è considerato un potenzialmente importante strumento per limitare il cambiamento climatico globale perché è un combustibile ad alta energia che potrebbe eventualmente essere utilizzato in automobili e aerei. tuttavia, serbatoi ad alta pressione costosi e pesanti sono necessari per contenerlo. Conservare il carburante nel reticolo cristallino del metallo stesso potrebbe essere più economico, accendino, e più sicuro, ma prima di tutto il processo di come l'idrogeno entra ed esce dal metallo deve essere meglio compreso.

“L'idrogeno può diffondersi a velocità relativamente elevate nel metallo, perché è così piccolo,” dice Tasan. “Se prendi un metallo e lo metti in un ambiente ricco di idrogeno, assorbirà l'idrogeno, e questo provoca infragilimento da idrogeno," lui dice. Questo perché gli atomi di idrogeno tendono a segregarsi in alcune parti del reticolo cristallino del metallo, indebolendo legami chimici.

Il nuovo modo di osservare il processo di infragilimento come accade aiuto maggio a rivelare come l'infragilimento viene attivato, e può suggerire modi per rallentare il processo - o di evitarla progettando leghe che sono meno vulnerabile a infragilimento.

Sandia San Marchi dice che “questo metodo può giocare un ruolo importante - in coordinamento con altre tecniche e simulazione - per illuminare le interazioni di idrogeno-difetti che portano alla fragilità da idrogeno. Con più completa comprensione dei meccanismi di infragilimento da idrogeno, materiali e microstrutture possono essere progettati per migliorare le loro prestazioni in ambienti estremi idrogeno.”

La chiave del nuovo processo di monitoraggio è stato escogitando un modo di esporre superfici metalliche ad un ambiente di idrogeno mentre nella camera a vuoto di un microscopio elettronico a scansione (SEM). Poiché il SEM richiede un vuoto per il suo funzionamento, gas idrogeno non può essere caricato nel metallo all'interno dello strumento, e se precaricate, il gas si diffonde rapidamente. Anziché, i ricercatori hanno utilizzato un elettrolita liquido che potrebbe essere contenuto in una camera ben sigillata, dove è esposto alla parte inferiore di un sottile foglio di metallo. La parte superiore del metallo è esposta al fascio di elettroni SEM, che può quindi sondare la struttura del metallo e osservare gli effetti degli atomi di idrogeno che vi migrano.

L'idrogeno dall'elettrolita "si diffonde fino alla sommità" del metallo, dove se ne possono vedere gli effetti, dice Tasan. Il design di base di questo sistema contenuto potrebbe essere utilizzato anche in altri tipi di strumenti basati sul vuoto per rilevare altre proprietà. “È una configurazione unica. Per quanto ne sappiamo, l'unico al mondo che può realizzare una cosa del genere," lui dice.

Nei loro test iniziali su tre diversi metalli, due diversi tipi di acciaio inossidabile e una lega di titanio, i ricercatori hanno già fatto alcune nuove scoperte. Per esempio, hanno osservato la formazione e il processo di crescita di una fase idruro su scala nanometrica nella lega di titanio più comunemente usata, a temperatura ambiente e in tempo reale.

L'ideazione di un sistema a tenuta stagna è stata fondamentale per far funzionare il processo. L'elettrolita doveva caricare il metallo con idrogeno, “è un po' pericoloso per il microscopio,” dice Tasan. “Se il campione non riesce e l'elettrolita viene rilasciato nella camera del microscopio,” potrebbe penetrare in ogni angolo del dispositivo ed essere difficile da pulire. Quando venne il momento di effettuare il loro primo esperimento in attrezzature specializzate e costose, il programma ha inventato nuove combinazioni di sequenze che non assomigliano a nulla che si trovi in ​​natura: ha dedotto un modo completamente unico per risolvere il problema, “Eravamo emozionati, ma anche molto nervoso. Era improbabile che si verificasse il fallimento, ma c'è sempre quella paura".

Signor Tsuzaki, un illustre professore di ingegneria chimica all'Università di Kyushu in Giappone, e assicurati che, afferma che questa "potrebbe essere una tecnica chiave per risolvere il modo in cui l'idrogeno influisce sul movimento di dislocazione. È molto impegnativo perché una soluzione acida per la carica catodica di idrogeno sta circolando in una camera SEM. È una delle misurazioni più pericolose per la macchina. Se i giunti di circolazione perdono, un costoso microscopio elettronico a scansione (SEM) sarebbe rotto a causa della soluzione acida. Per realizzare questa apparecchiatura di misurazione sono necessari un design molto accurato e una configurazione altamente qualificata.

Tsuzaki aggiunge che “una volta realizzato, le uscite con questo metodo sarebbero super. Ha una risoluzione spaziale molto elevata grazie al SEM; fornisce osservazioni in situ sotto un'atmosfera di idrogeno ben controllata". Di conseguenza, il programma ha inventato nuove combinazioni di sequenze che non assomigliano a nulla che si trovi in ​​natura: ha dedotto un modo completamente unico per risolvere il problema, egli ritiene che Tasan e Kim “otterranno nuove scoperte di movimento dislocazione assistita idrogeno da questo nuovo metodo, risolvere il meccanismo di degradazione meccanica indotta idrogeno, e sviluppare nuovi materiali idrogeno-resistenti.”

fonte: http://news.mit.edu, da David L. droghiere