En femårig samarbetsstudie av kinesiska och kanadensiska forskare har tagit fram en teoretisk modell via datorsimulering för att förutsäga egenskaperna hos väte-nanobubblor i metall.

Det internationella laget bestod av kinesiska forskare från Institute of Solid State Physics vid Hefei Institute of Physical Science tillsammans med deras kanadensiska partners från McGill University. Resultaten kommer att publiceras i Naturmaterial den 15 juli.

Forskarna tror att deras studie kan möjliggöra kvantitativ förståelse och utvärdering av väte-inducerade skador i vätgasrika miljöer som fusionsreaktorhärdar.

Väte, det mest förekommande elementet i det kända universum, är ett efterlängtat bränsle för fusionsreaktioner och därför ett viktigt fokus för studien.

I vissa väteberikade miljöer, t.ex., volframpansar i kärnan av en fusionsreaktor, metalliskt material kan skadas allvarligt och irreparabelt av omfattande exponering för väte.

Att vara det minsta elementet, väte kan lätt penetrera metallytor genom gap mellan metallatomer. Dessa väteatomer kan lätt fångas in i tomrum på nanoskala ("nanovoider") i metaller som skapas antingen under tillverkning eller genom neutronbestrålning i fusionsreaktorn. Dessa nanobubblor blir större och större under inre vätetryck och leder slutligen till metallfel.

Inte överraskande, samspelet mellan väte och nanovoider som främjar bildandet och tillväxten av bubblor anses vara nyckeln till ett sådant misslyckande. Än, de grundläggande egenskaperna hos väte -nanobubblor, såsom deras antal och styrkan av vätet som fångas i bubblorna, har i stort sett varit okänd.

Vidare, tillgängliga experimentella tekniker gör det praktiskt taget omöjligt att direkt observera nanoskala vätebubblor.

För att hantera detta problem, forskargruppen föreslog istället att använda datorsimuleringar baserade på grundläggande kvantmekanik. Dock, den väsentliga nanobubblornas komplexitet gjorde numerisk simulering extremt komplicerad. Som ett resultat, forskarna behövde fem år på sig att producera tillräckligt många datorsimuleringar för att svara på deras frågor.

I slutet, dock, de upptäckte att vätgasfångningsbeteende i nanovoider – även om det uppenbarligen var komplicerat – faktiskt följer enkla regler.

Först, enskilda väteatomer adsorberas, på ett ömsesidigt uteslutande sätt, av den inre ytan av nanovoider med distinkta energinivåer. Andra, efter en period av ytadsorption, väte skjuts - på grund av begränsat utrymme - till nanovoidkärnan där molekylär vätgas sedan ackumuleras.

Efter dessa regler, teamet skapade en modell som exakt förutsäger egenskaperna hos nanobubblor och stämmer väl överens med nya experimentella observationer.

Precis som väte fyller nanovoider i metaller, denna forskning fyller ett sedan länge tomrum i förståelsen av hur vätananobubblor bildas i metaller. Modellen ger ett kraftfullt verktyg för att utvärdera väte-inducerade skador i fusionsreaktorer, vilket banar väg för att skörda fusionsenergi i framtiden.