Le sostanze contenenti idrogeno sono importanti per molte industrie, ma gli scienziati hanno lottato per ottenere immagini dettagliate per comprendere il comportamento dell'elemento. In Rassegna di strumenti scientifici i ricercatori dimostrano la quantificazione dell'idrogeno per diversi stati dell'acqua, cioè, liquido, congelato e superraffreddato, per applicazioni su celle a combustibile ecocompatibili.

"Il nostro metodo non si limita alle celle a combustibile o all'acqua. Ci sono molti composti nelle industrie chimiche, compresa l'elettrochimica, elettroliti per batterie o celle a flusso redox, che contengono anche idrogeno, " ha detto il capo squadra Pierre Boillat, dal Paul Scherrer Institut in Svizzera.

Quando l'acqua pura viene raffreddata sotto zero gradi Celsius, non sempre forma ghiaccio ma può rimanere in una forma liquida nota come acqua superraffreddata. Questo fenomeno si verifica in una certa misura nelle celle a combustibile ad elettrolita polimerico, e poiché è noto che il congelamento e la successiva espansione del volume dell'acqua provocano danni, c'è interesse nella comprensione di questi stati dell'acqua.

Il team svizzero ha utilizzato fasci di neutroni per esaminare l'interno di una cella di calibrazione con pareti di alluminio. I neutroni rimbalzano sull'idrogeno di H ₂ O molecole in uno schema rilevabile, come il modo in cui i raggi X vengono utilizzati per l'immagine delle ossa. Il team di Boillat ha precedentemente dimostrato che le diverse sezioni trasversali del ghiaccio e dell'acqua superraffreddata a energie dei neutroni inferiori potrebbero essere utilizzate per scopi di imaging. Hanno perfezionato il processo per produrre immagini con un contrasto senza precedenti.

"Abbiamo sviluppato un metodo che utilizza un ciclo ad alto carico di impulsi ripetitivi molto ampi, dando un flusso di raggio molto più forte, in modo che possiamo misurare più velocemente e con una migliore qualità dell'immagine, " disse Boillat, descrivendo il cosiddetto ciclo di lavoro elevato, misurazioni del tempo di volo, che il suo team ha implementato alla linea di luce dell'impianto di prova European Spallation Source situato all'Helmholtz Zentrum di Berlino in Germania.

L'autrice Muriel Siegwart ha spiegato l'aumento della velocità di misurazione, da cinque ore a cinque minuti, era fondamentale per seguire l'andamento di una reazione. Spera di aumentare ulteriormente la velocità, in modo che possano monitorare la formazione di ghiaccio e il successivo danno all'interno delle celle a combustibile.

Boillat ha evidenziato come le collaborazioni intercontinentali del team siano state fondamentali per confermare i risultati sperimentali. Ciò includeva collaborazioni con esperti di rivelatori di neutroni presso l'Università della California, Berkeley ed esperti di simulazione teorica presso il Dipartimento di Fisica dei Neutroni e l'Instituto Balseiro di Bariloche, Argentina.

"Abbiamo osservato un certo impatto della temperatura sulle misurazioni, ma non eravamo sicuri che si trattasse di una forma di distorsione sperimentale. Si adattava perfettamente ai modelli teorici dimostrando che si trattava di un effetto reale, " disse Boillat.

Il team di Boillat è stato anche tra i primi a utilizzare sperimentalmente il sistema chopper di moltiplicazione del frame di lunghezza d'onda, una tecnica di miglioramento che sarà inclusa in diversi strumenti presso l'impianto European Spallation Source in costruzione in Svezia. Sfruttando i dati di riferimento ottenuti con questo metodo, il team ha sviluppato un quadro teorico che ottimizza il rapporto contrasto-rumore nelle immagini acquisite. Il team sta applicando questo quadro all'analisi delle batterie agli ioni di litio.