Hidrógeno, el segundo más pequeño de todos los átomos, Puede penetrar directamente en la estructura cristalina de un metal sólido.

Esas son buenas noticias para los esfuerzos por almacenar el combustible de hidrógeno de forma segura dentro del propio metal. pero es una mala noticia para estructuras como los recipientes a presión en las plantas nucleares, donde la absorción de hidrógeno eventualmente hace que las paredes metálicas del recipiente sean más frágiles, que puede conducir a fallas. Pero este proceso de fragilización es difícil de observar porque los átomos de hidrógeno se difunden muy rápido, incluso dentro del metal sólido.

Ahora, Los investigadores del MIT han descubierto una forma de solucionar ese problema, creando una nueva técnica que permite la observación de una superficie metálica durante la penetración del hidrógeno. Sus hallazgos se describen en un artículo que aparece hoy en Revista Internacional de Energía de Hidrógeno , por el postdoctorado del MIT Jinwoo Kim y el profesor asistente de metalurgia de Thomas B. King C. Cem Tasan.

"Definitivamente es una herramienta genial, "dice Chris San Marchi, un miembro distinguido del personal técnico de Sandia National Laboratories, que no estuvo involucrado en este trabajo. "Esta nueva plataforma de imágenes tiene el potencial de abordar algunas preguntas interesantes sobre el transporte de hidrógeno y el atrapamiento en materiales, y potencialmente sobre el papel de la cristalografía y los componentes microestructurales en el proceso de fragilización ".

El combustible de hidrógeno se considera una herramienta potencialmente importante para limitar el cambio climático global porque es un combustible de alta energía que eventualmente podría usarse en automóviles y aviones. Sin embargo, Se necesitan tanques de alta presión caros y pesados ​​para contenerlo. Almacenar el combustible en la red cristalina del propio metal podría resultar más económico, encendedor, y más seguro, pero primero se debe comprender mejor el proceso de cómo el hidrógeno entra y sale del metal.

"El hidrógeno puede difundirse a velocidades relativamente altas en el metal, porque es tan pequeño, "Tasan dice." Si tomas un metal y lo pones en un ambiente rico en hidrógeno, absorberá el hidrógeno, y esto causa fragilización por hidrógeno, ", dice. Eso es porque los átomos de hidrógeno tienden a segregarse en ciertas partes de la red cristalina del metal, debilitando sus enlaces químicos.

La nueva forma de observar el proceso de fragilización a medida que ocurre puede ayudar a revelar cómo se desencadena la fragilización. y puede sugerir formas de ralentizar el proceso o de evitarlo diseñando aleaciones que sean menos vulnerables a la fragilidad.

San Marchi de Sandia dice que "este método puede desempeñar un papel importante, en coordinación con otras técnicas y simulación, para iluminar las interacciones de defectos de hidrógeno que conducen a la fragilización por hidrógeno. Con una comprensión más completa de los mecanismos de la fragilización por hidrógeno, se pueden diseñar materiales y microestructuras para mejorar su rendimiento en entornos extremos de hidrógeno ".

La clave del nuevo proceso de monitoreo fue idear una forma de exponer las superficies metálicas a un entorno de hidrógeno mientras se encuentran dentro de la cámara de vacío de un microscopio electrónico de barrido (SEM). Debido a que el SEM requiere un vacío para su funcionamiento, el gas hidrógeno no se puede cargar en el metal dentro del instrumento, y si está precargado, el gas se difunde rápidamente. En lugar de, los investigadores utilizaron un electrolito líquido que podría estar contenido en una cámara bien sellada, donde está expuesta a la parte inferior de una delgada hoja de metal. La parte superior del metal está expuesta al haz de electrones SEM, que luego puede sondear la estructura del metal y observar los efectos de los átomos de hidrógeno que migran hacia él.

El hidrógeno del electrolito "se difunde hasta la parte superior" del metal, donde se puedan ver sus efectos, Tasan dice. El diseño básico de este sistema contenido también podría utilizarse en otros tipos de instrumentos basados ​​en vacío para detectar otras propiedades. "Es una configuración única. Hasta donde sabemos, el único en el mundo que puede realizar algo como esto, " él dice.

Las imágenes de microscopio electrónico muestran la acumulación de hidrógeno dentro de la estructura cristalina de una aleación de titanio. Las imágenes revelan la forma en que el hidrógeno, representado en azul, migra preferentemente a las interfaces entre los granos de cristal en el metal. Cortesía de los investigadores.

En sus pruebas iniciales de tres metales diferentes, dos tipos diferentes de acero inoxidable y una aleación de titanio, los investigadores ya han hecho algunos hallazgos nuevos. Por ejemplo, observaron el proceso de formación y crecimiento de una fase de hidruro a nanoescala en la aleación de titanio más utilizada, a temperatura ambiente y en tiempo real.

Diseñar un sistema a prueba de fugas fue crucial para que el proceso funcionara. El electrolito necesario para cargar el metal con hidrógeno, "es un poco peligroso para el microscopio, "Tasan dice." Si la muestra falla y el electrolito se libera en la cámara del microscopio, "Podría penetrar profundamente en todos los rincones del dispositivo y ser difícil de limpiar. Cuando llegó el momento de llevar a cabo su primer experimento en el equipo especializado y costoso, él dice, "estabamos emocionados, pero también muy nervioso. Era poco probable que se produjera el fracaso, pero siempre existe ese miedo ".

Kaneaki Tsuzaki, un distinguido profesor de ingeniería química en la Universidad de Kyushu en Japón, que no participó en esta investigación, dice que esto "podría ser una técnica clave para resolver cómo el hidrógeno afecta el movimiento de dislocación. Es muy desafiante porque una solución ácida para la carga catódica de hidrógeno está circulando en una cámara SEM. Es una de las medidas más peligrosas para la máquina. Si la circulación fugas en las articulaciones, un microscopio electrónico de barrido (SEM) muy caro se rompería debido a la solución ácida. Se necesita un diseño muy cuidadoso y una configuración muy hábil para fabricar este equipo de medición ".

Tsuzaki agrega que "una vez que se logra, las salidas por este método serían excelentes. Tiene una resolución espacial muy alta debido a SEM; proporciona observaciones in situ bajo una atmósfera de hidrógeno bien controlada ". Como resultado, él dice, él cree que Tasan y Kim "obtendrán nuevos hallazgos del movimiento de dislocación asistido por hidrógeno mediante este nuevo método, resolver el mecanismo de degradación mecánica inducida por hidrógeno, y desarrollar nuevos materiales resistentes al hidrógeno ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.