Väte, den näst minsta av alla atomer, kan tränga in i kristallstrukturen i en fast metall.

Det är goda nyheter för ansträngningar att lagra vätebränsle säkert i själva metallen, men det är dåliga nyheter för strukturer som tryckkärlen i kärnkraftverk, där väteupptagning så småningom gör kärlets metallväggar mer spröda, vilket kan leda till misslyckande. Men denna sprödhetsprocess är svår att observera eftersom väteatomer diffunderar mycket snabbt, även inuti den fasta metallen.

Nu, forskare vid MIT har kommit fram till en väg kring det problemet, skapa en ny teknik som gör det möjligt att observera en metallyta under vätegenomträngning. Deras fynd beskrivs i ett papper som idag visas i International Journal of Hydrogen Energy , av MIT postdoc Jinwoo Kim och Thomas B. King assisterande professor i metallurgi C. Cem Tasan.

"Det är definitivt ett coolt verktyg, "säger Chris San Marchi, en framstående tekniker vid Sandia National Laboratories, som inte var inblandad i detta arbete. "Denna nya bildplattform har potential att ta upp några intressanta frågor om vätetransport och fångst i material, och potentiellt om kristallografins och mikrostrukturella beståndsdelars roll i sprödprocessen. "

Vätebränsle anses vara ett potentiellt viktigt verktyg för att begränsa de globala klimatförändringarna eftersom det är ett högenergibränsle som så småningom kan användas i bilar och flygplan. Dock, dyra och tunga högtryckstankar behövs för att innehålla den. Att lagra bränslet i kristallgitteret i själva metallen kan vara billigare, lättare, och säkrare - men först måste processen för hur väte kommer in och lämnar metallen bättre förstås.

"Väte kan diffundera med relativt höga hastigheter i metallen, för den är så liten, "Säger Tasan." Om du tar en metall och lägger den i en väterik miljö, det kommer att ta upp vätet, och detta orsakar väteförsprödning, "säger han. Det beror på att väteatomer tenderar att segregera i vissa delar av metallkristallgitteret, försvagar dess kemiska bindningar.

Det nya sättet att observera sprödhetsprocessen när den händer kan hjälpa till att avslöja hur sprödheten utlöses, och det kan föreslå sätt att sakta ner processen - eller undvika den genom att designa legeringar som är mindre sårbara för sprödhet.

Sandias San Marchi säger att "denna metod kan spela en viktig roll-i samordning med andra tekniker och simuleringar-för att belysa väte-defektinteraktioner som leder till väteförsprödning. Med mer omfattande förståelse för mekanismerna för väteförsprödning, material och mikrostrukturer kan utformas för att förbättra deras prestanda under extrema vätemiljöer. "

Nyckeln till den nya övervakningsprocessen var att ta fram ett sätt att exponera metallytor för en vätemiljö i vakuumkammaren i ett svepelektronmikroskop (SEM). Eftersom SEM kräver ett vakuum för dess drift, vätgas kan inte laddas in i metallen inuti instrumentet, och om förladdad, gasen sprids snabbt ut. Istället, forskarna använde en flytande elektrolyt som kunde finnas i en väl tillsluten kammare, där den utsätts för undersidan av en tunn plåt. Toppen av metallen exponeras för SEM -elektronstrålen, som sedan kan sondra metallens struktur och observera effekterna av väteatomerna som migrerar in i den.

Vätet från elektrolyten "diffunderar hela vägen till toppen" av metallen, där dess effekter kan ses, Säger Tasan. Grundutformningen av detta inneslutna system kan också användas i andra typer av vakuumbaserade instrument för att upptäcka andra egenskaper. "Det är en unik inställning. Så vitt vi vet, den enda i världen som kan inse något sådant här, " han säger.

Elektronmikroskopbilder visar vätgasuppbyggnad i kristallstrukturen hos en titanlegering. Bilderna visar hur väte, avbildat i blått, migrerar företrädesvis in i gränssnitten mellan kristallkorn i metallen. Med tillstånd av forskarna.

I sina inledande tester av tre olika metaller - två olika sorters rostfritt stål och en titanlegering - har forskarna redan gjort några nya fynd. Till exempel, de observerade bildnings- och tillväxtprocessen för en nanoskalahydridfas i den vanligaste titanlegeringen, vid rumstemperatur och i realtid.

Att få fram ett läcksäkert system var avgörande för att processen skulle fungera. Elektrolyten behövde ladda metallen med väte, "är lite farligt för mikroskopet, "Tasan säger." Om provet misslyckas och elektrolyten släpps ut i mikroskopkammaren, "det kan tränga långt in i varje vrå och vrår på enheten och vara svårt att rengöra. När det var dags att utföra sitt första experiment med den specialiserade och dyra utrustningen, han säger, "vi var glada, men också riktigt nervös. Det var osannolikt att misslyckande skulle ske, men det finns alltid den rädslan. "

Kaneaki Tsuzaki, en framstående professor i kemiteknik vid Kyushu University i Japan, som inte var inblandad i denna forskning, säger att detta "kan vara en nyckelteknik för att lösa hur väte påverkar dislokationsrörelser. Det är mycket utmanande eftersom en sur lösning för vätekatodisk laddning cirkulerar in i en SEM -kammare. Det är en av de farligaste mätningarna för maskinen. Om cirkulationen leder läcker, ett mycket dyrt svepelektronmikroskop (SEM) skulle brytas på grund av syralösningen. En mycket noggrann design och en mycket hög kompetens är nödvändiga för att göra denna mätutrustning. "

Tsuzaki tillägger att "när det är gjort, utgångar med denna metod skulle vara super. Den har mycket hög rumslig upplösning på grund av SEM; det ger observationer på plats under en välkontrollerad väteatmosfär. "Som ett resultat, han säger, han tror att Tasan och Kim "kommer att få nya resultat av väteassisterad dislokationsrörelse med denna nya metod, lösa mekanismen för väteinducerad mekanisk nedbrytning, och utveckla nya vätbeständiga material. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.