Obserwacja wpływu wodoru na metal

Wodór, drugi najmniejszy ze wszystkich atomów, może przeniknąć bezpośrednio do struktury krystalicznej stałego metalu. To dobra wiadomość dla wysiłków zmierzających do bezpiecznego przechowywania paliwa wodorowego w samym metalu, ale to zła wiadomość dla konstrukcji takich jak zbiorniki ciśnieniowe w elektrowniach jądrowych, gdzie pobór wodoru ostatecznie powoduje, że metalowe ściany naczynia stają się bardziej kruche, co może prowadzić do niepowodzenia. Jednak ten proces kruchości jest trudny do zaobserwowania, ponieważ atomy wodoru dyfundują bardzo szybko, nawet wewnątrz litego metalu.

Ilustracja przedstawia główne elementy systemu, z którego korzystał zespół: Wielobarwna płyta pośrodku to badana warstwa metalu, bladoniebieski obszar po lewej stronie to roztwór elektrolitu używany jako źródło wodoru, małe niebieskie kropki to atomy wodoru, a zielone promienie lasera po prawej stronie badają ten proces. Duży cylinder po prawej stronie to sonda używana do wciskania metalu w celu sprawdzenia jego właściwości mechanicznych. Dzięki uprzejmości naukowców

Ale już, Naukowcy z MIT znaleźli sposób na obejście tego problemu, stworzenie nowej techniki umożliwiającej obserwację powierzchni metalu podczas penetracji wodoru. Wyniki ich badań opisano w artykule opublikowanym dzisiaj w czasopiśmie „ International Journal of Hydrogen Energy, przez postdoktora MIT Jinwoo Kima i Thomasa B. Król adiunkt metalurgii C. Cem Tasan.

„To zdecydowanie fajne narzędzie,” – mówi Chris San Marchi, wybitny członek personelu technicznego w Sandia National Laboratories, który nie był zaangażowany w tę pracę. „Ta nowa platforma obrazowania może odpowiedzieć na kilka interesujących pytań dotyczących transportu wodoru i wychwytywania go w materiałach, i potencjalnie o roli krystalografii i składników mikrostrukturalnych w procesie kruchości.”

Paliwo wodorowe jest uważane za potencjalnie główne narzędzie ograniczania globalnych zmian klimatycznych, ponieważ jest paliwem wysokoenergetycznym, które docelowo mogłoby zostać wykorzystane w samochodach i samolotach. Jednakże, Do jego przechowywania potrzebne są drogie i ciężkie zbiorniki wysokociśnieniowe. Przechowywanie paliwa w sieci krystalicznej samego metalu mogłoby być tańsze, zapalniczka, i bezpieczniejsze – ale najpierw należy lepiej poznać proces przedostawania się wodoru do metalu i opuszczania go.

„Wodór może dyfundować w metalu ze stosunkowo dużą szybkością, ponieważ jest taki mały,– mówi Tasan. „Jeśli weźmiesz metal i umieścisz go w środowisku bogatym w wodór, pochłonie wodór, a to powoduje kruchość wodorową,lata są warte około. Dzieje się tak, ponieważ atomy wodoru mają tendencję do segregacji w niektórych częściach metalowej sieci krystalicznej, osłabiając jego wiązania chemiczne.

Nowy sposób obserwacji procesu kruchości na bieżąco może pomóc w odkryciu, w jaki sposób kruchość jest wyzwalana, i może sugerować sposoby spowolnienia procesu — lub uniknięcia go poprzez projektowanie stopów mniej podatnych na kruchość.

Sandia z San Marchi twierdzi, że „ta metoda może odegrać ważną rolę – w koordynacji z innymi technikami i symulacjami – w naświetleniu interakcji defektu wodorowego, które prowadzą do kruchości wodorowej. Z pełniejszym zrozumieniem mechanizmów kruchości wodorowej, Materiały i mikrostruktury można zaprojektować tak, aby poprawić ich działanie w ekstremalnych środowiskach wodorowych”.

Kluczem do nowego procesu monitorowania było opracowanie sposobu wystawiania powierzchni metalowych na działanie środowiska wodorowego w komorze próżniowej skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM). Ponieważ SEM do swojego działania wymaga próżni, Wodór nie może być ładowany do metalu wewnątrz przyrządu, i jeśli jest wstępnie naładowany, gaz szybko się ulatnia. Zamiast, badacze zastosowali ciekły elektrolit, który można było przechowywać w dobrze zamkniętej komorze, gdzie jest wystawiony na działanie spodniej strony cienkiej blachy. Wierzch metalu jest wystawiony na działanie wiązki elektronów SEM, które następnie mogą zbadać strukturę metalu i obserwować wpływ migrujących do niego atomów wodoru.

Wodór z elektrolitu „dyfunduje aż do górnej części” metalu, gdzie widać jego skutki, – mówi Tasan. Podstawową konstrukcję tego zamkniętego systemu można również wykorzystać w innych rodzajach przyrządów próżniowych do wykrywania innych właściwości. „To wyjątkowa konfiguracja. O ile nam wiadomo, jedyny na świecie, który może zrealizować coś takiego,lata są warte około.

W swoich wstępnych testach trzech różnych metali – dwóch różnych rodzajów stali nierdzewnej i stopu tytanu – naukowcy dokonali już kilku nowych odkryć. Na przykład, zaobserwowali proces powstawania i wzrostu nanofazy wodorkowej w najczęściej stosowanym stopie tytanu, w temperaturze pokojowej i w czasie rzeczywistym.

Opracowanie szczelnego systemu było kluczowe dla zapewnienia powodzenia procesu. Elektrolit potrzebny do naładowania metalu wodorem, „jest trochę niebezpieczne dla mikroskopu,– mówi Tasan. „Jeśli próbka ulegnie uszkodzeniu i elektrolit przedostanie się do komory mikroskopu,” mógłby wniknąć głęboko w każdy zakamarek urządzenia i być trudny do wyczyszczenia. Kiedy przyszedł czas na przeprowadzenie pierwszego eksperymentu na specjalistycznym i drogim sprzęcie, on mówi, "byliśmy podekscytowani, ale też bardzo zdenerwowany. Mało prawdopodobne było, że dojdzie do porażki, ale zawsze jest ten strach.

Panie Tsuzaki, wybitny profesor inżynierii chemicznej na Uniwersytecie Kiusiu w Japonii, kto nie był zaangażowany w te badania, twierdzi, że „może to być kluczowa technika pozwalająca ustalić, w jaki sposób wodór wpływa na ruch dyslokacyjny. Jest to bardzo trudne, ponieważ do komory SEM krąży roztwór kwasu do ładowania katodowego wodorowego. Jest to jeden z najniebezpieczniejszych pomiarów dla maszyny. Jeśli złącza cyrkulacyjne przeciekają, bardzo drogi skaningowy mikroskop elektronowy (SEM) uległyby zniszczeniu pod wpływem roztworu kwasu. Do wykonania tego sprzętu pomiarowego niezbędny jest bardzo staranny projekt i bardzo wykwalifikowana konfiguracja.

Tsuzaki dodaje, że „kiedy to się uda, wyniki tej metody byłyby super. Ma bardzo wysoką rozdzielczość przestrzenną dzięki SEM; umożliwia obserwacje in-situ w dobrze kontrolowanej atmosferze wodoru”. W rezultacie, on mówi, wierzy, że Tasan i Kim „uzyskają nowe odkrycia dotyczące ruchu dyslokacyjnego wspomaganego wodorem za pomocą tej nowej metody, rozwiązać mechanizm degradacji mechanicznej wywołanej wodorem, i opracować nowe materiały odporne na wodór.”

Źródło: http://news.mit.edu, autorstwa Davida L. Kupiec