Uno studio collaborativo di cinque anni condotto da scienziati cinesi e canadesi ha prodotto un modello teorico tramite simulazione al computer per prevedere le proprietà delle nanobolle di idrogeno nel metallo.

Il team internazionale era composto da scienziati cinesi dell'Institute of Solid State Physics dell'Hefei Institute of Physical Science insieme ai loro partner canadesi della McGill University. I risultati saranno pubblicati in Materiali della natura il 15 luglio.

I ricercatori ritengono che il loro studio possa consentire la comprensione quantitativa e la valutazione dei danni indotti dall'idrogeno in ambienti ricchi di idrogeno come i nuclei dei reattori a fusione.

Idrogeno, l'elemento più abbondante nell'universo conosciuto, è un combustibile molto atteso per le reazioni di fusione e quindi un importante centro di studio.

In certi ambienti arricchiti di idrogeno, per esempio., armatura di tungsteno nel nucleo di un reattore a fusione, materiale metallico può essere gravemente e irreparabilmente danneggiato da un'ampia esposizione all'idrogeno.

Essendo l'elemento più piccolo, l'idrogeno può facilmente penetrare nelle superfici metalliche attraverso gli spazi tra gli atomi di metallo. Questi atomi di idrogeno possono essere facilmente intrappolati all'interno di vuoti su scala nanometrica ("nanovoidi") nei metalli creati durante la produzione o dall'irradiazione di neutroni nel reattore a fusione. Queste nanobolle diventano sempre più grandi sotto la pressione interna dell'idrogeno e alla fine portano alla rottura del metallo.

Non sorprendentemente, l'interazione tra idrogeno e nanovuoti che promuovono la formazione e la crescita di bolle è considerata la chiave di tale fallimento. Ancora, le proprietà di base delle nanobolle di idrogeno, come il loro numero e la forza dell'idrogeno intrappolato nelle bolle, è stato in gran parte sconosciuto.

Per di più, le tecniche sperimentali disponibili rendono praticamente impossibile osservare direttamente le bolle di idrogeno su scala nanometrica.

Per affrontare questo problema, il team di ricerca ha proposto invece di utilizzare simulazioni al computer basate sulla meccanica quantistica fondamentale. Però, la complessità strutturale delle nanobolle di idrogeno ha reso la simulazione numerica estremamente complicata. Di conseguenza, i ricercatori hanno impiegato cinque anni per produrre abbastanza simulazioni al computer per rispondere alle loro domande.

Alla fine, però, hanno scoperto che il comportamento di intrappolamento dell'idrogeno nei nanovuoti, sebbene apparentemente complicato, in realtà segue regole semplici.

Primo, i singoli atomi di idrogeno vengono adsorbiti, in modo mutuamente esclusivo, dalla superficie interna di nanovuoti con livelli energetici distinti. Secondo, dopo un periodo di adsorbimento superficiale, l'idrogeno viene spinto, a causa dello spazio limitato, al nucleo del nanovuoto dove si accumula il gas di idrogeno molecolare.

Seguendo queste regole, il team ha creato un modello che prevede con precisione le proprietà delle nanobolle di idrogeno e si accorda bene con le recenti osservazioni sperimentali.

Proprio come l'idrogeno riempie i nanovuoti nei metalli, questa ricerca riempie un vuoto di vecchia data nella comprensione di come si formano le nanobolle di idrogeno nei metalli. Il modello fornisce un potente strumento per valutare i danni indotti dall'idrogeno nei reattori a fusione, aprendo così la strada alla raccolta di energia da fusione in futuro.