I fisici dell'Università di Groningen hanno visualizzato l'idrogeno nell'interfaccia titanio/idruro di titanio utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione. Utilizzando una nuova tecnica, sono riusciti a visualizzare sia il metallo che gli atomi di idrogeno in un'unica immagine, consentendo loro di testare diversi modelli teorici che descrivono la struttura dell'interfaccia. I risultati sono stati pubblicati il ​​31 gennaio sulla rivista Progressi scientifici .

Per comprendere le proprietà dei materiali, è spesso vitale osservare la loro struttura a una risoluzione atomica. È possibile visualizzare gli atomi utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione (TEM); però, finora, nessuno è riuscito a produrre immagini corrette di entrambi gli atomi pesanti e quello più leggero di tutti (idrogeno) insieme. Questo è esattamente ciò che hanno fatto Bart Kooi, professore di materiali nanostrutturati dell'Università di Groningen, e i suoi colleghi. Hanno usato un nuovo TEM con capacità che hanno permesso di produrre immagini di atomi di titanio e idrogeno all'interfaccia titanio/idruro di titanio.

Atomi di idrogeno

Le immagini risultanti mostrano come colonne di atomi di idrogeno riempiono gli spazi tra gli atomi di titanio, distorcere la struttura cristallina. Occupano metà degli spazi, qualcosa che era stato predetto in precedenza. "Negli anni Ottanta, sono stati proposti tre diversi modelli per la posizione dell'idrogeno all'interfaccia metallo/metallo idruro, " dice Kooi. "Ora siamo stati in grado di vedere di persona quale modello era corretto."

Per creare l'interfaccia metallo/metallo idruro, Kooi e i suoi colleghi hanno iniziato con i cristalli di titanio. L'idrogeno atomico è stato quindi infuso e penetrato nel titanio in cunei molto sottili, formando minuscoli cristalli di idruro metallico. "In questi cunei, il numero di atomi di idrogeno e di titanio è lo stesso, " Spiega Kooi. "La penetrazione dell'idrogeno crea un'alta pressione all'interno del cristallo. Le lastre di idruro molto sottili causano l'infragilimento da idrogeno nei metalli, per esempio all'interno di reattori nucleari." La pressione all'interfaccia impedisce all'idrogeno di fuoriuscire.

Innovazioni

La produzione di immagini del titanio pesante e degli atomi di idrogeno leggero all'interfaccia è stata una vera sfida. Primo, il campione è stato caricato con idrogeno. Successivamente dovrebbe essere visualizzato con un orientamento specifico lungo l'interfaccia. Ciò è stato ottenuto tagliando cristalli correttamente allineati dal titanio utilizzando un raggio ionico e rendendo i campioni più sottili, fino a uno spessore non superiore a 50 nm, utilizzando nuovamente un raggio ionico.

La visualizzazione degli atomi di titanio e idrogeno è stata resa possibile da diverse innovazioni incluse nel TEM. Gli atomi pesanti possono essere visualizzati dalla dispersione che provocano degli elettroni nel raggio del microscopio. Gli elettroni sparsi vengono preferibilmente rilevati utilizzando rivelatori ad alto angolo. "L'idrogeno è troppo leggero per causare questa dispersione, quindi per questi atomi, dobbiamo fare affidamento sulla costruzione dell'immagine dalla dispersione ad angolo basso, che include le onde elettroniche." Tuttavia, il materiale provoca l'interferenza di queste onde, che finora ha reso quasi impossibile l'identificazione degli atomi di idrogeno.

Simulazioni al computer

Le onde vengono rilevate da un rilevatore di campo chiaro a basso angolo. Il nuovo microscopio ha un rivelatore circolare di campo chiaro diviso in quattro segmenti. Analizzando le differenze nei fronti d'onda rilevati nei segmenti opposti e osservando i cambiamenti che si verificano quando il raggio di scansione attraversa il materiale, è possibile filtrare le interferenze e visualizzare gli atomi di idrogeno molto leggeri.

"Il primo requisito è avere un microscopio in grado di scansionare con un fascio di elettroni che sia inferiore alla distanza tra gli atomi. Successivamente è la combinazione del rivelatore di campo chiaro segmentato e del software analitico che rende possibile la visualizzazione, " spiega Kooi, che ha lavorato in stretta collaborazione con scienziati del produttore del microscopio, Thermo Fisher Scientific, due dei quali sono coautori del documento. Il gruppo di Kooi ha aggiunto vari filtri antirumore al software e li ha testati. Hanno anche eseguito ampie simulazioni al computer, con cui hanno confrontato le immagini sperimentali.

Nanomateriali

Lo studio mostra l'interazione tra l'idrogeno e il metallo, che è conoscenza utile per lo studio di materiali in grado di immagazzinare idrogeno. "Gli idruri metallici possono immagazzinare più idrogeno per volume rispetto all'idrogeno liquido". Per di più, le tecniche utilizzate per visualizzare l'idrogeno potrebbero essere applicate anche ad altri atomi leggeri, come l'ossigeno, azoto o boro, che sono importanti in molti nanomateriali. "Essere in grado di vedere atomi leggeri accanto a quelli pesanti apre tutti i tipi di opportunità".