En grupp forskare har skapat ett enkelt och billigt sätt att visualisera väteets atomära tillstånd. Detaljer om deras genombrott publiceras i tidskriften Acta Materialia .
Väte är koldioxidfritt, och det har länge ansetts vara en källa till ren energi. Ändå kräver en förändring av samhället mot väteenergi att övervinna några betydande tekniska problem. Det behövs strukturella och funktionella material som producerar, lagrar, transporterar och konserverar väte.
För att utveckla avancerade material för väterelaterade applikationer är en grundläggande förståelse för hur väte beter sig i legeringar avgörande. Den nuvarande tekniken kommer dock till kort på detta område. Att upptäcka väte i atomärt tillstånd – den minsta atomen i universum – med röntgenstrålar eller laser är utmanande på grund av dess unika egenskaper. Forskare fokuserar för närvarande på bättre analys- och visualiseringstekniker som kan införliva höga rumsliga och tidsupplösningar samtidigt.
Hiroshi Kakinuma, biträdande professor vid Tohoku University, och hans medförfattare utvecklade en ny visualiseringsteknik som utnyttjar ett optiskt mikroskop och polyanilinskikt.
"När färgen på polyanilinskiktet reagerar med det atomära tillståndet väte i metaller, ändrar det färger, vilket gör att vi kan analysera flödet av väteatomer baserat på färgfördelningen av polyanilinskiktet", säger Kakinuma.
"Dessutom kan optiska mikroskop observera vyn i submillimeterskala med rumslig upplösning i mikroskala i realtid, och därigenom fånga vätebeteende med oöverträffade höga rumsliga och tidsupplösningar."
Tack vare denna metod filmade forskarna framgångsrikt flödet av väteatomer i rent nickel (Ni). Färgen på polyanilin ändrades från lila till vit när den reagerade med väteatomer i en metall. Visualisering in situ avslöjade att väteatomer i rent Ni företrädesvis diffunderade genom korngränser i oordnade Ni-atomer.
Vidare fann gruppen att vätediffusion var beroende av korngränsernas geometriska struktur:väteflödet växte vid korngränser med stora geometriska utrymmen. Dessa resultat klargjorde experimentellt förhållandet mellan strukturen i atomär skala av rent Ni och vätediffusionsbeteendet.
Tillvägagångssättet har också bredare tillämpningar. Den kan appliceras på andra metaller och legeringar, såsom stål och aluminiumlegeringar, och underlättar drastiskt klarläggandet av de mikroskopiska interaktionerna mellan väte och material, som skulle kunna undersökas ytterligare genom simuleringar.
"Att förstå vätebeteenden relaterade till legeringars struktur i atomskala kommer att möjliggöra effektiv legeringsdesign, vilket dramatiskt kommer att påskynda utvecklingen av mycket funktionella material och föra oss ett steg närmare ett väteenergibaserat samhälle", tillägger Kakinuma.
Mer information: Hiroshi Kakinuma et al, In situ visualisering av felorienteringsberoende vätediffusion vid korngränser av rent polykristallint Ni med hjälp av ett vätevideobildsystem, Acta Materialia (2023). DOI:10.1016/j.actamat.2023.119536
Journalinformation: Acta Materialia
Tillhandahålls av Tohoku University
