Første visning af brint ved metal-til-metalhydrid-grænsefladen

University of Groningen fysikere har visualiseret brint ved titanium/titaniumhydrid-grænsefladen ved hjælp af et transmissionselektronmikroskop. Ved at bruge en ny teknik, det lykkedes dem at visualisere både metal- og brintatomerne i et enkelt billede, giver dem mulighed for at teste forskellige teoretiske modeller, der beskriver grænsefladestrukturen. Resultaterne blev offentliggjort den 31. januar i tidsskriftet Videnskabens fremskridt .

For at forstå materialers egenskaber, det er ofte vigtigt at observere deres struktur i en atomopløsning. Visualisering af atomer ved hjælp af et transmissionselektronmikroskop (TEM) er muligt; imidlertid, indtil nu, ingen har haft held til at fremstille ordentlige billeder af både tunge atomer og det letteste af alle (brint) sammen. Det er præcis, hvad professor i nanostrukturerede materialer ved University of Groningen, Bart Kooi og hans kolleger har gjort. De brugte en ny TEM med kapaciteter, der gjorde det muligt at producere billeder af både titanium og brint atomer ved titanium/titanium hydrid grænsefladen.

Hydrogen atomer

De resulterende billeder viser, hvordan søjler af brintatomer fylder mellemrum mellem titaniumatomerne, forvrængning af krystalstrukturen. De optager halvdelen af ​​pladserne, noget som var forudsagt tidligere. "I 1980'erne, tre forskellige modeller blev foreslået for positionen af ​​brint ved metal/metalhydrid-grænsefladen, " siger Kooi. "Vi var nu i stand til selv at se, hvilken model der var korrekt."

For at skabe metal/metalhydrid-grænsefladen, Kooi og hans kolleger startede med titaniumkrystaller. Atomisk brint blev derefter infunderet og penetreret titanium i meget tynde kiler, danner små metalhydridkrystaller. "I disse kiler, antallet af brint- og titaniumatomer er det samme, " Kooi forklarer. "Penetration af brint skaber et højt tryk inde i krystallen. De meget tynde hydridplader forårsager brintskørhed i metaller, for eksempel inde i atomreaktorer." Trykket ved grænsefladen forhindrer brinten i at undslippe.

Innovationer

At producere billeder af det tunge titanium og de lette brintatomer ved grænsefladen var noget af en udfordring. Først, prøven blev fyldt med hydrogen. Det skal efterfølgende ses i en bestemt orientering langs grænsefladen. Dette blev opnået ved at skære korrekt afstemte krystaller fra titanium ved hjælp af en ionstråle og gøre prøverne tyndere - til en tykkelse på ikke mere end 50 nm - igen ved hjælp af en ionstråle.

Visualiseringen af ​​både titanium- og brintatomer blev muliggjort af flere innovationer, der var inkluderet i TEM. Tunge atomer kan visualiseres ved den spredning, de forårsager af elektronerne i mikroskopstrålen. Spredte elektroner detekteres fortrinsvis ved hjælp af højvinkeldetektorer. "Brint er for let til at forårsage denne spredning, så for disse atomer, vi er nødt til at stole på at konstruere billedet ud fra lav-vinkelspredning, som inkluderer elektronbølger." materialet forårsager interferens af disse bølger, hvilket hidtil har gjort identifikation af brintatomer næsten umulig.

Computersimuleringer

Bølgerne detekteres af en lavvinklet lysfeltdetektor. Det nye mikroskop har en cirkulær lysfeltsdetektor, der er opdelt i fire segmenter. Ved at analysere forskelle i bølgefronterne detekteret i modstående segmenter og se på de ændringer, der opstår, når scanningsstrålen krydser materialet, det er muligt at filtrere interferenserne fra og visualisere de meget lette brintatomer.

"Det første krav er at have et mikroskop, der kan scanne med en elektronstråle, der er mindre end afstanden mellem atomerne. Det er efterfølgende kombinationen af ​​den segmenterede lysfeltsdetektor og den analytiske software, der muliggør visualisering, og det er efterfølgende kombinationen af ​​den segmenterede lysfeltsdetektor og den analytiske software, der gør visualiseringen mulig, og det er det første krav, at man skal have et mikroskop, der kan scanne med en elektronstråle, der er mindre end afstanden mellem atomerne. " forklarer Kooi, som arbejdede i tæt samarbejde med forskere fra mikroskopets producent, Thermo Fisher Scientific, hvoraf to er medforfattere på papiret. Koois gruppe tilføjede forskellige støjfiltre til softwaren og testede dem. De udførte også omfattende computersimuleringer, som de sammenlignede de eksperimentelle billeder med.

Nanomaterialer

Undersøgelsen viser samspillet mellem brinten og metallet, som er nyttig viden til undersøgelse af materialer, der er i stand til at lagre brint. "Metalhydrider kan lagre mere brint pr. volumen end flydende brint." Desuden, de teknikker, der bruges til at visualisere brinten, kunne også anvendes på andre lette atomer, såsom ilt, nitrogen eller bor, som er vigtige i mange nanomaterialer. "At være i stand til at se lette atomer ved siden af ​​tunge åbner op for alle mulige muligheder."