Observando-se os efeitos de hidrogénio em metais

hidrogênio, o segundo mais pequeno de todos os átomos, pode penetrar para a direita na estrutura de cristal de um metal sólido. Isso é uma boa notícia para os esforços para armazenar combustível hidrogênio de forma segura dentro do próprio metal, mas é uma má notícia para estruturas tais como os vasos de pressão em usinas nucleares, onde a absorção de hidrogénio, eventualmente faz com que as paredes de metal da embarcação mais quebradiço, o que pode levar ao fracasso. Mas este processo de fragilização é difícil de observar porque os átomos de hidrogênio difundir muito rápido, mesmo dentro do metal sólido.

Esta ilustração descreve os principais elementos do sistema a equipe usou: A laje multicolorida no centro, é a camada de metal a ser estudada, a região azul pálido a esquerda é a solução de electrólito utilizada como uma fonte de hidrogénio, os pequenos pontos azuis são os átomos de hidrogénio, e os feixes de laser verde à direita estão investigando o processo. O cilindro grande à direita é uma sonda utilizada para recuar o metal para testar as suas propriedades mecânicas. Cortesia dos pesquisadores

Agora, pesquisadores do MIT descobriram uma maneira de contornar esse problema, a criação de uma nova técnica que permite a observação de uma superfície de metal durante a penetração de hidrogénio. Os seus resultados são descritos em um documento publicado hoje no Jornal Internacional de Energia do Hidrogênio, pelo MIT postdoc Jinwoo Kim e Thomas B. Rei Professor Assistente de Metalurgia C. Cem Tasan.

“É definitivamente uma ferramenta legal,”Diz Chris San Marchi, um distinto membro da equipe técnica no Sandia National Laboratories, que não estava envolvido neste trabalho. “Esta plataforma de imagem nova tem o potencial para tratar de algumas questões interessantes sobre o transporte de hidrogênio e prendendo em materiais, e, potencialmente, sobre o papel da cristalografia e microestruturais constituintes sobre o processo de fragilização.”

combustível de hidrogênio é considerado um potencial importante instrumento para limitar a mudança climática global, porque é um combustível de alta energia que poderia, eventualmente, ser usado em carros e aviões. Contudo, tanques de alta pressão caros e pesados ​​são necessários para contê-la. Armazenar o combustível na rede cristalina do metal em si poderia ser mais barato, mais leve, e mais seguro - mas em primeiro lugar o processo de hidrogénio como entra e deixa o metal deve ser melhor compreendida.

“Hidrogénio pode difundir-se em taxas relativamente elevadas no metal, porque é tão pequeno,”Tasan diz. “Se você pegar um metal e colocá-lo em um ambiente rico em hidrogênio, ele vai absorção do hidrogénio, e isso faz com que a hidrogenização," ele diz. Isso porque os átomos de hidrogénio tendem a segregar em certas partes da estrutura de cristal do metal, enfraquecendo suas ligações químicas.

A nova maneira de observar o processo de fragilização como acontece pode ajudar a revelar como a fragilização é acionado, e pode sugerir formas de retardar o processo - ou de evitá-lo através da concepção de ligas que são menos vulneráveis ​​a fragilização.

Sandia San Marchi diz que “este método pode desempenhar um papel importante - em coordenação com outras técnicas e simulação - para iluminar as interações de hidrogênio de defeitos que levam à fragilização por hidrogênio. Com compreensão mais abrangente dos mecanismos de fragilização por hidrogênio, materiais e microestruturas podem ser projetados para melhorar o seu desempenho em ambientes de hidrogênio extremas “.

A chave para o novo processo de monitorização foi conceber uma forma de expor as superfícies de metal a um ambiente de hidrogénio, enquanto no interior da câmara de vácuo de um microscópio electrónico de varrimento (SEM). Porque o SEM requer um vácuo para a sua operação, de hidrogénio gasoso não pode ser carregada para o metal no interior do instrumento, e se pré-carregada, o gás difunde-se rapidamente. Em vez de, os investigadores utilizaram um electrólito líquido que poderia estar contido numa câmara bem selada, onde é exposto para o lado de baixo de uma folha fina de metal. A parte superior do metal é exposta ao feixe de electrões SEM, que pode então sondar a estrutura do metal e observar os efeitos dos átomos de hidrogénio migra para ela.

O hidrogénio do electrólito “difunde-se através de todo o caminho para o topo” do metal, onde seus efeitos podem ser vistos, Tasan diz. A concepção básica deste sistema continha também poderia ser utilizada em outros tipos de instrumentos baseados em vácuo para detectar outras propriedades. “É uma configuração única. Até onde sabemos, o único no mundo que pode realizar algo parecido com isto," ele diz.

Em seus testes iniciais de três metais diferentes - dois tipos diferentes de aço inoxidável e uma liga de titânio - os pesquisadores já fizeram algumas novas descobertas. Por exemplo, eles observaram o processo de formação e crescimento de uma fase de hidreto de nanoescala na liga de titânio mais utilizada, à temperatura ambiente e em tempo real.

Conceber um sistema à prova de fugas foi crucial para tornar o processo de trabalho. O electrólito necessária para carregar o metal com hidrogénio, “É um pouco perigoso para o microscópio,”Tasan diz. “Se a amostra falhar e o electrólito é libertado para dentro da câmara microscópio,”Ele poderia penetrar muito em todos os cantos do dispositivo e ser difícil de limpar. Quando chegou a hora de realizar sua primeira experiência no equipamento especializado e caro, ele diz, “Fomos animado, mas também muito nervoso. Era improvável que a falha foi vai ter lugar, mas há sempre o medo.”

Kaneaki Tsuzaki, um distinto professor de engenharia química na Universidade de Kyushu no Japão, que não estava envolvido na pesquisa, diz que esta “poderia ser uma técnica chave para resolver como hidrogênio afeta movimento deslocamento. É muito difícil, porque uma solução de ácido para a carga catódica de hidrogénio está a circular dentro de uma câmara de SEM. É uma das medidas mais perigosos para a máquina. Se as articulações circulação vazar, um microscópio eletrônico de varredura muito caro (SEM) seria quebrado devido à solução de ácido. Um design muito cuidado e uma configuração muito alta habilidade são necessários para tornar este equipamento de medição.”

Tsuzaki acrescenta que “uma vez que é realizado, saídas por este método seria super. Tem muito alta resolução espacial devido ao SEM; ele dá observações in situ sob uma atmosfera de hidrogénio bem controlada “. Como um resultado, ele diz, ele acredita que Tasan e Kim “irá obter novas descobertas do movimento deslocamento assistida-hidrogênio por este novo método, resolver o mecanismo de degradação mecânica induzida por hidrogénio, e desenvolver novos materiais de hidrogénio-resistente.”

Fonte: http://news.mit.edu, por David L. merceeiro