Las sustancias que contienen hidrógeno son importantes para muchas industrias, pero los científicos han luchado por obtener imágenes detalladas para comprender el comportamiento del elemento. En Revisión de instrumentos científicos Los investigadores demuestran la cuantificación del hidrógeno para diferentes estados del agua, es decir, líquido, congelados y superenfriados:para aplicaciones en pilas de combustible ecológicas.

"Nuestro método no se limita a las pilas de combustible o al agua. Hay muchos compuestos en las industrias químicas, incluida la electroquímica, electrolitos para baterías o celdas de flujo redox, que también contienen hidrógeno, "dijo el líder del equipo Pierre Boillat, del Paul Scherrer Institut en Suiza.

Cuando el agua pura se enfría por debajo de cero grados Celsius, no siempre forma hielo, pero puede permanecer en forma líquida conocida como agua sobreenfriada. Este fenómeno ocurre en cierta medida en las pilas de combustible de electrolitos poliméricos, y como se sabe que la congelación y la subsiguiente expansión del volumen de agua inducen daños, hay interés en comprender estos estados del agua.

El equipo suizo utilizó haces de neutrones para examinar el interior de una celda de calibración con paredes de aluminio. Los neutrones rebotaron en el hidrógeno de H ₂ O moléculas en un patrón detectable, como la forma en que se utilizan los rayos X para obtener imágenes de los huesos. El equipo de Boillat demostró previamente que las diferentes secciones transversales de hielo y agua superenfriada a energías de neutrones más bajas podrían usarse con fines de obtención de imágenes. Han refinado el proceso para producir imágenes con un contraste sin precedentes.

"Desarrollamos un método que utiliza un ciclo de trabajo elevado de pulsos repetitivos que son muy amplios, dando un flujo de haz mucho más fuerte, para que podamos medir más rápido y con mejor calidad de imagen, "dijo Boillat, describiendo el llamado ciclo de alta resistencia, mediciones de tiempo de vuelo, que su equipo implementó en la línea de luz de la instalación de prueba de la fuente de espalación europea ubicada en Helmholtz Zentrum Berlin en Alemania.

La autora Muriel Siegwart explicó el aumento en la velocidad de medición, de cinco horas a cinco minutos, fue fundamental para seguir el progreso de una reacción. Ella espera aumentar aún más la velocidad, para que puedan rastrear la formación de hielo y el daño subsiguiente dentro de las celdas de combustible.

Boillat destacó cómo las colaboraciones intercontinentales del equipo fueron fundamentales para confirmar los hallazgos experimentales. Esto incluyó colaboraciones con expertos en detectores de neutrones en la Universidad de California, Berkeley y expertos en simulación teórica del Departamento de Física de Neutrones y del Instituto Balseiro en Bariloche, Argentina.

"Observamos algún impacto de la temperatura en las mediciones, pero no estábamos seguros de si se trataba de una forma de sesgo experimental. Coincidía perfectamente con los modelos teóricos, lo que demuestra que se trataba de un efecto real". "dijo Boillat.

El equipo de Boillat también fue uno de los primeros en utilizar experimentalmente el sistema chopper de multiplicación de cuadros de longitud de onda, una técnica de mejora que se incluirá en varios instrumentos en la instalación de fuente de espalación europea en construcción en Suecia. Aprovechando los datos de referencia obtenidos con este método, el equipo desarrolló un marco teórico que optimiza la relación contraste-ruido en las imágenes adquiridas. El equipo está aplicando este marco al análisis de baterías de iones de litio.