การสังเกตผลกระทบของไฮโดรเจนในโลหะ

ไฮโดรเจน, เล็กที่สุดเป็นอันดับสองของอะตอมทั้งหมด, สามารถแทรกซึมเข้าไปในโครงสร้างผลึกของโลหะแข็งได้. นั่นเป็นข่าวดีสำหรับความพยายามในการจัดเก็บเชื้อเพลิงไฮโดรเจนอย่างปลอดภัยภายในโลหะ, แต่เป็นข่าวร้ายสำหรับโครงสร้างเช่นภาชนะรับความดันในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์, โดยที่การดูดซึมไฮโดรเจนจะทำให้ผนังโลหะของเรือเปราะมากขึ้นในที่สุด, ซึ่งอาจนำไปสู่ความล้มเหลวได้. แต่กระบวนการเกิดการเปราะนี้สังเกตได้ยากเนื่องจากอะตอมของไฮโดรเจนแพร่กระจายเร็วมาก, แม้แต่ภายในโลหะแข็งก็ตาม.

ภาพประกอบนี้แสดงถึงองค์ประกอบหลักของระบบที่ทีมใช้: แผ่นพื้นหลากสีที่อยู่ตรงกลางคือชั้นโลหะที่กำลังศึกษา, พื้นที่สีฟ้าอ่อนทางด้านซ้ายคือสารละลายอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้เป็นแหล่งไฮโดรเจน, จุดสีน้ำเงินเล็กๆ คืออะตอมไฮโดรเจน, และลำแสงเลเซอร์สีเขียวทางด้านขวากำลังตรวจสอบกระบวนการนี้. กระบอกสูบขนาดใหญ่ทางด้านขวาคือหัววัดที่ใช้เยื้องโลหะเพื่อทดสอบคุณสมบัติทางกล. ได้รับความอนุเคราะห์จากนักวิจัย

ตอนนี้, นักวิจัยจาก MIT ได้ค้นพบวิธีแก้ปัญหาดังกล่าวแล้ว, การสร้างเทคนิคใหม่ที่ช่วยให้สังเกตพื้นผิวโลหะระหว่างการแทรกซึมของไฮโดรเจน. การค้นพบของพวกเขาได้รับการอธิบายไว้ในบทความที่ตีพิมพ์ในวันนี้ใน วารสารนานาชาติของพลังงานไฮโดรเจน, โดย MIT postdoc Jinwoo Kim และ Thomas B. คิง ผู้ช่วยศาสตราจารย์สาขาโลหะวิทยา ซี. เจม ทาซาน.

“มันเป็นเครื่องมือที่ยอดเยี่ยมอย่างแน่นอน,” คริส ซาน มาร์ชี่ กล่าว, สมาชิกที่โดดเด่นของเจ้าหน้าที่ด้านเทคนิคที่ Sandia National Laboratories, ที่ไม่เกี่ยวข้องกับงานนี้. “แพลตฟอร์มการถ่ายภาพใหม่นี้มีศักยภาพในการตอบคำถามที่น่าสนใจเกี่ยวกับการขนส่งไฮโดรเจนและการกักขังในวัสดุ, และอาจเกี่ยวกับบทบาทของผลึกศาสตร์และองค์ประกอบทางโครงสร้างจุลภาคต่อกระบวนการเกิดการเปราะ”

เชื้อเพลิงไฮโดรเจนถือเป็นเครื่องมือสำคัญในการจำกัดการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศโลก เนื่องจากเป็นเชื้อเพลิงพลังงานสูงที่สามารถนำไปใช้ในรถยนต์และเครื่องบินได้ในที่สุด. อย่างไรก็ตาม, จำเป็นต้องมีถังแรงดันสูงราคาแพงและหนักเพื่อบรรจุมัน. การจัดเก็บเชื้อเพลิงในโครงตาข่ายคริสตัลของโลหะอาจมีราคาถูกกว่า, เบากว่า, และปลอดภัยกว่า แต่ก่อนอื่นต้องเข้าใจกระบวนการที่ไฮโดรเจนเข้าและออกจากโลหะก่อน.

“ไฮโดรเจนสามารถแพร่กระจายได้ในอัตราที่ค่อนข้างสูงในโลหะ, เพราะมันเล็กมาก,"ทาซานกล่าว. “ถ้าคุณเอาโลหะไปวางไว้ในสภาพแวดล้อมที่อุดมด้วยไฮโดรเจน, มันจะดูดซับไฮโดรเจน, และสิ่งนี้ทำให้เกิดการแตกตัวของไฮโดรเจน," เขาพูดว่า. นั่นเป็นเพราะว่าอะตอมของไฮโดรเจนมีแนวโน้มที่จะแยกตัวออกจากกันในบางส่วนของโครงตาข่ายคริสตัลโลหะ, ทำให้พันธะเคมีของมันอ่อนลง.

วิธีใหม่ในการสังเกตกระบวนการเกิดรอยเปราะที่เกิดขึ้นอาจช่วยเผยให้เห็นว่ากระบวนการเกิดรอยเปราะเกิดขึ้นได้อย่างไร, และอาจแนะนำวิธีในการชะลอกระบวนการ - หรือหลีกเลี่ยงโดยการออกแบบโลหะผสมที่เสี่ยงต่อการเปราะน้อยกว่า.

San Marchi จาก Sandia กล่าวว่า "วิธีการนี้อาจมีบทบาทสำคัญในการประสานงานกับเทคนิคและการจำลองอื่นๆ เพื่อชี้แจงปฏิกิริยาระหว่างข้อบกพร่องของไฮโดรเจนที่นำไปสู่การแตกตัวของไฮโดรเจน. ด้วยความเข้าใจกลไกการแตกตัวของไฮโดรเจนอย่างครอบคลุมมากขึ้น, วัสดุและโครงสร้างจุลภาคสามารถออกแบบเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพภายใต้สภาพแวดล้อมไฮโดรเจนที่รุนแรงได้”

กุญแจสำคัญในกระบวนการตรวจสอบแบบใหม่คือการคิดค้นวิธีการเปิดเผยพื้นผิวโลหะกับสภาพแวดล้อมไฮโดรเจนขณะอยู่ภายในห้องสุญญากาศของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM). เนื่องจาก SEM ต้องใช้สุญญากาศในการทำงาน, ก๊าซไฮโดรเจนไม่สามารถชาร์จเข้าไปในโลหะภายในเครื่องมือได้, และหากชาร์จล่วงหน้าแล้ว, ก๊าซจะกระจายออกไปอย่างรวดเร็ว. แทนที่, นักวิจัยใช้อิเล็กโทรไลต์เหลวที่สามารถบรรจุอยู่ในห้องที่ปิดสนิท, โดยที่สัมผัสกับด้านล่างของแผ่นโลหะบางๆ. ด้านบนของโลหะสัมผัสกับลำอิเล็กตรอน SEM, ซึ่งสามารถตรวจสอบโครงสร้างของโลหะและสังเกตผลกระทบของอะตอมไฮโดรเจนที่อพยพเข้าไปได้.

ไฮโดรเจนจากอิเล็กโทรไลต์ "กระจายไปทั่วถึงด้านบน" ของโลหะ, ซึ่งสามารถเห็นผลของมันได้, ทาสกล่าว. การออกแบบพื้นฐานของระบบที่มีอยู่นี้ยังสามารถนำมาใช้ในเครื่องมือสุญญากาศชนิดอื่นเพื่อตรวจจับคุณสมบัติอื่นๆ ได้. “มันเป็นการตั้งค่าที่ไม่เหมือนใคร. เท่าที่เรารู้, หนึ่งเดียวในโลกที่สามารถตระหนักถึงสิ่งนี้ได้," เขาพูดว่า.

ในการทดสอบโลหะสามชนิดที่แตกต่างกันครั้งแรก ได้แก่ เหล็กกล้าไร้สนิมสองชนิดและโลหะผสมไททาเนียม นักวิจัยได้ค้นพบสิ่งใหม่บางอย่างแล้ว. ตัวอย่างเช่น, พวกเขาสังเกตกระบวนการก่อตัวและการเจริญเติบโตของเฟสไฮไดรด์ระดับนาโนในโลหะผสมไทเทเนียมที่ใช้กันมากที่สุด, ที่อุณหภูมิห้องและแบบเรียลไทม์.

การสร้างระบบป้องกันการรั่วซึมถือเป็นสิ่งสำคัญในการทำให้กระบวนการทำงานได้. อิเล็กโทรไลต์จำเป็นต้องชาร์จโลหะด้วยไฮโดรเจน, “เป็นอันตรายเล็กน้อยสำหรับกล้องจุลทรรศน์,"ทาซานกล่าว. “หากตัวอย่างล้มเหลวและอิเล็กโทรไลต์ถูกปล่อยเข้าไปในห้องกล้องจุลทรรศน์,” มันสามารถเจาะเข้าไปในทุกซอกมุมของอุปกรณ์ได้ไกลและยากต่อการทำความสะอาด. เมื่อถึงเวลาที่ต้องทำการทดลองครั้งแรกกับอุปกรณ์เฉพาะทางและมีราคาแพง, เขาพูดว่า, “เราตื่นเต้นมาก, แต่ก็กังวลมากเช่นกัน. ไม่น่าเป็นไปได้ที่ความล้มเหลวจะเกิดขึ้น, แต่ก็มีความกลัวอยู่เสมอ”

คุณซึซากิ, ศาสตราจารย์พิเศษด้านวิศวกรรมเคมีที่มหาวิทยาลัยคิวชูในประเทศญี่ปุ่น, ที่ไม่ได้มีส่วนร่วมในการวิจัยครั้งนี้, กล่าวว่านี่ "อาจเป็นเทคนิคสำคัญในการแก้ปัญหาว่าไฮโดรเจนส่งผลต่อการเคลื่อนที่ของการเคลื่อนที่อย่างไร. เป็นเรื่องที่ท้าทายมากเนื่องจากสารละลายกรดสำหรับการชาร์จไฮโดรเจนแคโทดกำลังหมุนเวียนเข้าไปในห้อง SEM. ถือเป็นการวัดที่อันตรายที่สุดอย่างหนึ่งสำหรับเครื่องจักร. หากข้อต่อหมุนเวียนรั่ว, กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดราคาแพงมาก (SEM) จะขาดเพราะสารละลายกรด. การออกแบบอย่างระมัดระวังและการตั้งค่าทักษะที่สูงมากเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการสร้างอุปกรณ์วัดนี้”

Tsuzaki กล่าวเสริมว่า “เมื่อทำสำเร็จแล้ว, ผลลัพธ์ด้วยวิธีนี้จะสุดยอดมาก. มีความละเอียดเชิงพื้นที่สูงมากเนื่องจาก SEM; มันให้การสังเกตการณ์ในแหล่งกำเนิดภายใต้บรรยากาศไฮโดรเจนที่ได้รับการควบคุมอย่างดี” ผลที่ตามมา, เขาพูดว่า, เขาเชื่อว่าทาซานและคิม "จะได้รับการค้นพบใหม่เกี่ยวกับการเคลื่อนที่โดยอาศัยไฮโดรเจนช่วยโดยวิธีการใหม่นี้, แก้กลไกการย่อยสลายทางกลที่เกิดจากไฮโดรเจน, และพัฒนาวัสดุต้านทานไฮโดรเจนชนิดใหม่”

แหล่งที่มา: http://news.mit.edu, โดย David L. แชนด์เลอร์