Los físicos de la Universidad de Groningen han visualizado el hidrógeno en la interfaz de titanio / hidruro de titanio utilizando un microscopio electrónico de transmisión. Usando una nueva técnica, lograron visualizar tanto el metal como los átomos de hidrógeno en una sola imagen, permitiéndoles probar diferentes modelos teóricos que describen la estructura de la interfaz. Los resultados fueron publicados el 31 de enero en la revista Avances de la ciencia .

Para comprender las propiedades de los materiales, a menudo es vital observar su estructura con una resolución atómica. Es posible visualizar átomos usando un microscopio electrónico de transmisión (TEM); sin embargo, hasta aquí, nadie ha logrado producir imágenes adecuadas de ambos átomos pesados ​​y el más ligero de todos (hidrógeno) juntos. Esto es exactamente lo que han hecho el profesor de materiales nanoestructurados de la Universidad de Groningen, Bart Kooi, y sus colegas. Utilizaron un nuevo TEM con capacidades que hicieron posible producir imágenes de átomos de titanio e hidrógeno en la interfaz titanio / hidruro de titanio.

Átomos de hidrógeno

Las imágenes resultantes muestran cómo las columnas de átomos de hidrógeno llenan los espacios entre los átomos de titanio, distorsionando la estructura cristalina. Ocupan la mitad de los espacios, algo que se predijo antes. "En la década de 1980, Se propusieron tres modelos diferentes para la posición del hidrógeno en la interfaz metal / hidruro metálico, ", dice Kooi." Ahora pudimos ver por nosotros mismos qué modelo era el correcto ".

Para crear la interfaz metal / hidruro metálico, Kooi y sus colegas comenzaron con cristales de titanio. Luego se infundió hidrógeno atómico y penetró el titanio en cuñas muy delgadas, formando diminutos cristales de hidruro metálico. "En estas cuñas, el número de átomos de hidrógeno y titanio es el mismo, "Kooi explica." La penetración de hidrógeno crea una alta presión dentro del cristal. Las placas de hidruro muy delgadas provocan la fragilización por hidrógeno en los metales, por ejemplo, dentro de reactores nucleares. "La presión en la interfaz evita que el hidrógeno se escape.

Innovaciones

Producir imágenes del titanio pesado y los átomos de hidrógeno ligero en la interfaz fue todo un desafío. Primero, la muestra se cargó con hidrógeno. Posteriormente, debe verse en una orientación específica a lo largo de la interfaz. Esto se logró cortando cristales de titanio correctamente alineados utilizando un haz de iones y haciendo que las muestras fueran más delgadas, hasta un grosor de no más de 50 nm, de nuevo utilizando un haz de iones.

La visualización de átomos de titanio e hidrógeno fue posible gracias a varias innovaciones que se incluyeron en el TEM. Los átomos pesados ​​se pueden visualizar por la dispersión que provocan de los electrones en el haz del microscopio. Los electrones dispersos se detectan preferiblemente usando detectores de ángulo alto. "El hidrógeno es demasiado ligero para causar esta dispersión, así que para estos átomos, tenemos que confiar en la construcción de la imagen a partir de la dispersión de ángulo bajo, que incluye ondas de electrones ". Sin embargo, el material provoca la interferencia de estas ondas, lo que hasta ahora ha hecho casi imposible la identificación de los átomos de hidrógeno.

Simulaciones por computadora

Las ondas son detectadas por un detector de campo brillante de ángulo bajo. El nuevo microscopio tiene un detector circular de campo brillante que está dividido en cuatro segmentos. Al analizar las diferencias en los frentes de onda detectados en segmentos opuestos y observar los cambios que ocurren cuando el rayo de exploración cruza el material, es posible filtrar las interferencias y visualizar los átomos de hidrógeno muy ligeros.

"El primer requisito es tener un microscopio que pueda escanear con un haz de electrones que sea más pequeño que la distancia entre los átomos. Posteriormente, es la combinación del detector de campo brillante segmentado y el software analítico lo que hace posible la visualización, "explica Kooi, que trabajó en estrecha colaboración con científicos del fabricante del microscopio, Thermo Fisher Scientific, dos de los cuales son coautores del artículo. El grupo de Kooi agregó varios filtros de ruido al software y los probó. También realizaron extensas simulaciones por computadora, con el que compararon las imágenes experimentales.

Nanomateriales

El estudio muestra la interacción entre el hidrógeno y el metal, que es un conocimiento útil para el estudio de materiales capaces de almacenar hidrógeno. "Los hidruros metálicos pueden almacenar más hidrógeno por volumen que el hidrógeno líquido". Es más, las técnicas utilizadas para visualizar el hidrógeno también podrían aplicarse a otros átomos de luz, como el oxígeno, nitrógeno o boro, que son importantes en muchos nanomateriales. "Ser capaz de ver átomos ligeros junto a los pesados ​​abre todo tipo de oportunidades".