Un estudio colaborativo de cinco años realizado por científicos chinos y canadienses ha producido un modelo teórico mediante simulación por computadora para predecir las propiedades de las nanoburbujas de hidrógeno en el metal.

El equipo internacional estaba compuesto por científicos chinos del Instituto de Física del Estado Sólido del Instituto de Ciencias Físicas de Hefei junto con sus socios canadienses de la Universidad McGill. Los resultados se publicarán en Materiales de la naturaleza el 15 de julio.

Los investigadores creen que su estudio puede permitir la comprensión cuantitativa y la evaluación del daño inducido por el hidrógeno en entornos ricos en hidrógeno, como los núcleos de los reactores de fusión.

Hidrógeno, el elemento más abundante del universo conocido, es un combustible muy esperado para las reacciones de fusión y, por lo tanto, un importante foco de estudio.

En ciertos entornos enriquecidos con hidrógeno, p.ej., armadura de tungsteno en el núcleo de un reactor de fusión, El material metálico puede sufrir daños graves e irreparables por una exposición prolongada al hidrógeno.

Siendo el elemento más pequeño, el hidrógeno puede penetrar fácilmente las superficies metálicas a través de los espacios entre los átomos metálicos. Estos átomos de hidrógeno pueden quedar atrapados fácilmente dentro de los huecos a nanoescala ("nano-huecos") en metales creados durante la fabricación o por irradiación de neutrones en el reactor de fusión. Estas nanoburbujas se hacen cada vez más grandes bajo la presión interna de hidrógeno y finalmente conducen a la falla del metal.

No es sorprendente, la interacción entre el hidrógeno y los nanohuecos que promueven la formación y el crecimiento de burbujas se considera la clave de tal falla. Todavía, las propiedades básicas de las nanoburbujas de hidrógeno, como su número y la fuerza del hidrógeno atrapado en las burbujas, ha sido en gran parte desconocido.

Es más, Las técnicas experimentales disponibles hacen prácticamente imposible la observación directa de burbujas de hidrógeno a nanoescala.

Para abordar este problema, el equipo de investigación propuso, en cambio, utilizar simulaciones por ordenador basadas en la mecánica cuántica fundamental. Sin embargo, la complejidad estructural de las nanoburbujas de hidrógeno hizo que la simulación numérica fuera extremadamente complicada. Como resultado, los investigadores necesitaron cinco años para producir suficientes simulaciones por computadora para responder a sus preguntas.

En el final, sin embargo, descubrieron que el comportamiento de atrapamiento del hidrógeno en los nanohuecos, aunque aparentemente complicado, en realidad sigue reglas simples.

Primero, los átomos de hidrógeno individuales se adsorben, de forma mutuamente excluyente, por la superficie interna de nanovacios con distintos niveles de energía. Segundo, después de un período de adsorción superficial, el hidrógeno es empujado, debido al espacio limitado, al núcleo del nanovacío donde luego se acumula el gas de hidrógeno molecular.

Siguiendo estas reglas, el equipo creó un modelo que predice con precisión las propiedades de las nanoburbujas de hidrógeno y concuerda bien con observaciones experimentales recientes.

Así como el hidrógeno llena los nanovacios de los metales, esta investigación llena un vacío de larga data en la comprensión de cómo se forman las nanoburbujas de hidrógeno en los metales. El modelo proporciona una herramienta poderosa para evaluar el daño inducido por hidrógeno en reactores de fusión, así allanando el camino para cosechar energía de fusión en el futuro.