Filmer den mikroskopiske strøm af brintatomer i et metal

En gruppe forskere har skabt et enkelt og billigt middel til at visualisere brints atomare tilstand. Detaljer om deres gennembrud er offentliggjort i tidsskriftet Acta Materialia .

Brint er kuldioxidfri, og det har længe været udråbt som en kilde til ren energi. Alligevel kræver et skift af samfundet mod brintenergi at overvinde nogle væsentlige tekniske problemer. Der er brug for strukturelle og funktionelle materialer, der producerer, opbevarer, transporterer og konserverer brint.

For at udvikle avancerede materialer til brint-relaterede applikationer er en grundlæggende forståelse af, hvordan brint opfører sig i legeringer, afgørende. Den nuværende teknologi kommer dog til kort på dette område. At detektere brint i atomart tilstand - det mindste atom i universet - med røntgenstråler eller lasere er udfordrende på grund af dets unikke egenskaber. Forskere fokuserer i øjeblikket på bedre analytiske og visualiseringsteknikker, der kan inkorporere høje rumlige og tidsmæssige opløsninger samtidigt.

Hiroshi Kakinuma, en assisterende professor ved Tohoku University, og hans medforfattere udviklede en ny visualiseringsteknik, der udnytter et optisk mikroskop og polyanilinlag.

"Når farven på polyanilinlaget reagerer med atomtilstanden brint i metaller, ændrer det farver, hvilket giver os mulighed for at analysere strømmen af ​​hydrogenatomer baseret på farvefordelingen af ​​polyanilinlaget," siger Kakinuma.

"Derudover kan optiske mikroskoper observere visningen i sub-millimeterskala med rumlig opløsning i mikroskala i realtid og derved fange brintadfærd med hidtil uset høje rumlige og tidsmæssige opløsninger."

Takket være denne metode filmede forskerne med succes strømmen af ​​brintatomer i rent nikkel (Ni). Farven på polyanilin ændrede sig fra lilla til hvid, når den reagerede med hydrogenatomer i et metal. In situ visualisering afslørede, at brintatomer i rent Ni fortrinsvis diffunderede gennem korngrænser i uordnede Ni-atomer.

Endvidere fandt gruppen, at brintdiffusion var afhængig af den geometriske struktur af korngrænserne:brintfluxen voksede ved korngrænser med store geometriske rum. Disse resultater afklarede eksperimentelt forholdet mellem strukturen i atomskalaen af ​​rent Ni og hydrogendiffusionsadfærden.

Tilgangen har også bredere anvendelser. Det kan anvendes på andre metaller og legeringer, såsom stål og aluminiumslegeringer, og letter drastisk belysning af de mikroskopiske brint-materiale-interaktioner, som kunne undersøges yderligere gennem simuleringer.

"Forståelse af brintadfærd relateret til legeringer i atomare skala vil muliggøre et effektivt legeringsdesign, som dramatisk vil accelerere udviklingen af ​​meget funktionelle materialer og føre os et skridt tættere på et brintenergibaseret samfund," tilføjer Kakinuma.

Flere oplysninger: Hiroshi Kakinuma et al., In situ visualisering af misorienteringsafhængig hydrogendiffusion ved korngrænser af rent polykrystallinsk Ni ved hjælp af et brintvideobilledsystem, Acta Materialia (2023). DOI:10.1016/j.actamat.2023.119536

Journaloplysninger: Acta Materialia

Leveret af Tohoku University