Forskere skaber en forudsigelig model for hydrogen-nanovoid interaktion i metaller

En fem-årig samarbejdsundersøgelse af kinesiske og canadiske forskere har frembragt en teoretisk model via computersimulering til at forudsige egenskaber ved hydrogen nanobobler i metal.

Det internationale team var sammensat af kinesiske forskere fra Institute of Solid State Physics fra Hefei Institute of Physical Science sammen med deres canadiske partnere fra McGill University. Resultaterne vil blive offentliggjort i Naturmaterialer den 15. juli.

Forskerne mener, at deres undersøgelse kan muliggøre kvantitativ forståelse og evaluering af hydrogeninduceret skade i brintrige miljøer såsom fusionsreaktorkerner.

Brint, det mest udbredte element i det kendte univers, er et meget ventet brændstof til fusionsreaktioner og dermed et vigtigt undersøgelsesfokus.

I visse hydrogenberigede miljøer, f.eks., wolfram rustning i kernen af ​​en fusionsreaktor, metallisk materiale kan blive alvorligt og uopretteligt beskadiget ved omfattende eksponering for brint.

At være det mindste element, brint kan let trænge ind i metaloverflader gennem huller mellem metalatomer. Disse brintatomer kan let fanges inde i nanoskalahulrum ("nanovoider") i metaller, der skabes enten under fremstilling eller ved neutronbestråling i fusionsreaktoren. Disse nanobobler bliver større og større under internt brintetryk og fører til sidst til metalsvigt.

Ikke overraskende, samspillet mellem brint og nanovoider, der fremmer dannelse og vækst af bobler, betragtes som nøglen til en sådan fiasko. Endnu, de grundlæggende egenskaber ved hydrogen nanobobler, såsom deres antal og styrken af ​​det brint, der er fanget i boblerne, har stort set været ukendt.

Desuden, tilgængelige eksperimentelle teknikker gør det praktisk talt umuligt at direkte observere nanoskala brintbobler.

For at løse dette problem, forskergruppen foreslog i stedet at bruge computersimuleringer baseret på grundlæggende kvantemekanik. Imidlertid, den strukturelle kompleksitet af hydrogen nanobubbler gjorde numerisk simulering ekstremt kompliceret. Som resultat, forskerne havde brug for fem år til at producere nok computersimuleringer til at besvare deres spørgsmål.

Til sidst, imidlertid, de opdagede, at hydrogenindfangningsadfærd i nanovoider - selv om det tilsyneladende er kompliceret - faktisk følger enkle regler.

Først, enkelte hydrogenatomer adsorberes, på en gensidigt udelukkende måde, ved den indre overflade af nanovoider med tydelige energiniveauer. Sekund, efter en periode med overfladeadsorption, brint skubbes - på grund af begrænset plads - til nanovoidkernen, hvor molekylær hydrogengas derefter ophobes.

Efter disse regler, teamet skabte en model, der præcist forudsiger egenskaber ved hydrogen nanobubbler og stemmer godt overens med nylige eksperimentelle observationer.

Ligesom brint fylder nanovoider i metaller, denne forskning fylder et mangeårigt tomrum i at forstå, hvordan hydrogen nanobubler dannes i metaller. Modellen giver et kraftfuldt værktøj til vurdering af hydrogeninduceret skade i fusionsreaktorer, og dermed baner vejen for at høste fusionsenergi i fremtiden.