Questa illustrazione mostra gli elementi principali del sistema utilizzato dal team:la lastra multicolore al centro è lo strato metallico oggetto di studio, la regione azzurra a sinistra è la soluzione elettrolitica utilizzata come fonte di idrogeno, i piccoli punti blu sono gli atomi di idrogeno, e i raggi laser verdi a destra stanno sondando il processo. Il grande cilindro a destra è una sonda utilizzata per indentare il metallo per testarne le proprietà meccaniche. Credito:Massachusetts Institute of Technology
Idrogeno, il secondo più piccolo di tutti gli atomi, può penetrare direttamente nella struttura cristallina di un metallo solido.
Questa è una buona notizia per gli sforzi per immagazzinare il carburante a idrogeno in modo sicuro all'interno del metallo stesso, ma è una brutta notizia per strutture come i recipienti a pressione nelle centrali nucleari, dove l'assorbimento di idrogeno alla fine rende le pareti metalliche della nave più fragili, che può portare al fallimento. Ma questo processo di infragilimento è difficile da osservare perché gli atomi di idrogeno si diffondono molto velocemente, anche all'interno del metallo solido.
Ora, i ricercatori del MIT hanno trovato un modo per aggirare questo problema, creando una nuova tecnica che permette l'osservazione di una superficie metallica durante la penetrazione dell'idrogeno. I loro risultati sono descritti in un documento che appare oggi nel Giornale internazionale dell'energia dell'idrogeno , dal postdoc del MIT Jinwoo Kim e Thomas B. King Assistant Professor of Metallurgy C. Cem Tasan.
"È sicuramente uno strumento fantastico, "dice Chris San Marchi, un distinto membro dello staff tecnico dei Laboratori Nazionali Sandia, chi non era coinvolto in questo lavoro. "Questa nuova piattaforma di imaging ha il potenziale per rispondere ad alcune domande interessanti sul trasporto e l'intrappolamento dell'idrogeno nei materiali, e potenzialmente sul ruolo della cristallografia e dei costituenti microstrutturali nel processo di infragilimento."
Il carburante a idrogeno è considerato uno strumento potenzialmente importante per limitare il cambiamento climatico globale perché è un carburante ad alta energia che potrebbe essere utilizzato in auto e aerei. Però, per contenerlo sono necessari costosi e pesanti serbatoi ad alta pressione. Conservare il carburante nel reticolo cristallino del metallo stesso potrebbe essere più economico, accendino, e più sicuro, ma prima il processo di come l'idrogeno entra ed esce dal metallo deve essere compreso meglio.
"L'idrogeno può diffondersi a velocità relativamente elevate nel metallo, perché è così piccolo, " Dice Tasan. "Se prendi un metallo e lo metti in un ambiente ricco di idrogeno, assorbirà l'idrogeno, e questo provoca infragilimento da idrogeno, " dice. Questo perché gli atomi di idrogeno tendono a segregarsi in alcune parti del reticolo cristallino metallico, indebolimento dei suoi legami chimici.
Il nuovo modo di osservare il processo di infragilimento mentre accade può aiutare a rivelare come si innesca l'infragilimento, e può suggerire modi per rallentare il processo o per evitarlo progettando leghe meno vulnerabili all'infragilimento.
La configurazione sperimentale del microscopio elettronico a scansione utilizzata dai ricercatori per studiare il processo di caricamento dell'idrogeno. Credito:Massachusetts Institute of Technology
San Marchi di Sandia afferma che "questo metodo può svolgere un ruolo importante, in coordinamento con altre tecniche e simulazioni, per illuminare le interazioni idrogeno-difetto che portano all'infragilimento da idrogeno. Con una comprensione più completa dei meccanismi di infragilimento da idrogeno, materiali e microstrutture possono essere progettati per migliorare le loro prestazioni in ambienti estremi con idrogeno".
La chiave del nuovo processo di monitoraggio è stata l'ideazione di un modo per esporre le superfici metalliche a un ambiente di idrogeno all'interno della camera a vuoto di un microscopio elettronico a scansione (SEM). Poiché il SEM richiede un vuoto per il suo funzionamento, il gas idrogeno non può essere caricato nel metallo all'interno dello strumento, e se precaricato, il gas si diffonde rapidamente. Anziché, i ricercatori hanno utilizzato un elettrolita liquido che potrebbe essere contenuto in una camera ben sigillata, dove è esposto alla parte inferiore di un sottile foglio di metallo. La parte superiore del metallo è esposta al fascio di elettroni SEM, che può quindi sondare la struttura del metallo e osservare gli effetti degli atomi di idrogeno che migrano in esso.
L'idrogeno dall'elettrolita "si diffonde fino alla sommità" del metallo, dove se ne vedono gli effetti, dice Tasan. Il design di base di questo sistema contenuto potrebbe essere utilizzato anche in altri tipi di strumenti basati sul vuoto per rilevare altre proprietà. "È una configurazione unica. Per quanto ne sappiamo, l'unico al mondo che può realizzare una cosa del genere, " lui dice.
Le immagini al microscopio elettronico mostrano l'accumulo di idrogeno all'interno della struttura cristallina di una lega di titanio. Le immagini rivelano il modo in cui l'idrogeno, raffigurato in blu, migra preferenzialmente nelle interfacce tra i grani di cristallo nel metallo. Per gentile concessione dei ricercatori.
Nei loro test iniziali su tre diversi metalli, due diversi tipi di acciaio inossidabile e una lega di titanio, i ricercatori hanno già fatto alcune nuove scoperte. Per esempio, hanno osservato il processo di formazione e crescita di una fase idrurica su scala nanometrica nella lega di titanio più comunemente usata, a temperatura ambiente e in tempo reale.
L'ideazione di un sistema a tenuta stagna è stata fondamentale per far funzionare il processo. L'elettrolita necessario per caricare il metallo con idrogeno, "è un po' pericoloso per il microscopio, " dice Tasan. "Se il campione fallisce e l'elettrolita viene rilasciato nella camera del microscopio, " poteva penetrare in ogni angolo e fessura del dispositivo ed essere difficile da pulire. Quando venne il momento di effettuare il loro primo esperimento con l'attrezzatura specializzata e costosa, lui dice, "eravamo emozionati, ma anche molto nervoso. Era improbabile che si verificasse un fallimento, ma c'è sempre quella paura".
Kaneaki Tsuzaki, un illustre professore di ingegneria chimica presso l'Università di Kyushu in Giappone, chi non è stato coinvolto in questa ricerca, afferma che "potrebbe essere una tecnica chiave per risolvere il modo in cui l'idrogeno influisce sul movimento di dislocazione. È molto impegnativo perché una soluzione acida per la carica catodica dell'idrogeno sta circolando in una camera SEM. È una delle misurazioni più pericolose per la macchina. Se la circolazione perdite di giunti, un microscopio elettronico a scansione (SEM) molto costoso si romperebbe a causa della soluzione acida. Per realizzare questa apparecchiatura di misurazione sono necessari un design molto accurato e una configurazione altamente qualificata."
Tsuzaki aggiunge che "una volta compiuto, le uscite con questo metodo sarebbero super. Ha una risoluzione spaziale molto elevata grazie al SEM; fornisce osservazioni in situ sotto un'atmosfera di idrogeno ben controllata." Di conseguenza, lui dice, crede che Tasan e Kim "otterranno nuove scoperte sul movimento di dislocazione assistito da idrogeno con questo nuovo metodo, risolvere il meccanismo di degradazione meccanica indotta dall'idrogeno, e sviluppare nuovi materiali resistenti all'idrogeno."
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.
