Hidrojeni iş başında yakalamak: Emilim sürecinin zaman içinde izlenmesi

Eğer element haritasında hidrojeni arıyorsanız onu bulmanız fazla zaman almayacaktır. Mümkün olan en hafif malzeme tam oradadır. Bir elektron, bir proton; hepsi bu. Basit, minimalist, element haritasının Marie Kondo’su, ancak olası teknolojik uygulamalar açısından muazzam bir potansiyele sahip.

Çok çarpıcı bir örnek hepimizi ilgilendiriyor: Gündüz gökyüzüne bakalım.

Güneşi bir fırın olarak düşünürsek, hidrojen atomları kömür külçeleridir.

Güneşin çekim kuvveti, hidrojen atomlarını o kadar şiddetli bir şekilde bir araya getirir ki, bunlar birleşerek inanılmaz miktarda enerji (nükleer füzyon) üretir ve bu enerji ışınlanır (kısmen görünür ışık yoluyla da), Dünya’ya gider, bu gezegende yaşama izin verir ve sıcak bir yaz gününde sahilde soğuk bir içeceğin keyfini çıkarmanızı sağlar (bu da tesadüfen hidrojen içerir).

Nükleer füzyon reaktörleri günümüzde doğal olarak büyük ilgi görmektedir. Temiz ve yenilenebilir bir enerji kaynağı sağlayacaklardır (bugünlerde büyük önem taşıyor) ve hidrojen atomlarının diğer malzemelerle, örneğin nükleer reaktörlerin metalik bileşenleriyle nasıl etkileşime girdiğine dair tam bilgi edinmek büyük önem taşıyor.

Bu önemli bir örnek ama “Hidrojen etkileşime girdiği malzemelerin yapısal ve elektriksel özelliklerini nasıl değiştirir?” sorusu. Hidrojenin üretimi ve depolanmasına yönelik diğer önemli teknolojiler söz konusu olduğunda da önemlidir. Hidrojen atomları, toksik veya sera gazı egzoz gazları üretmeden yanabilir ve itici güç üretebilir.

Çalışmamız

Beni ve çalışma arkadaşlarımı bu konu üzerinde çalışmaya motive eden de bu oldu.

Yıllar boyunca yol gösterici sorularımız şunlar oldu: Hidrojen atomlarının çevreleriyle etkileşimini nasıl izleriz? Hidrojen nüfuzu ve emilimi bir malzemenin yapısal özelliklerini nasıl değiştirir?

Bunun genel bir sorun olup olmadığından emin değilim, ancak hidrojen bazlı araba motorumun bozulmasını istemem çünkü bu soru hala açıklığa kavuşturulmadı.

Elbette bu soruyu ilk soran biz değildik. Bu alan halihazırda bilim camiasında pek çok kişinin ilgisini çekmiştir ve hidrojen emilimini araştırmaya yönelik deneysel tekniklerin ne kadar ustaca olduğunu her zaman büyüleyici bulmuşumdur.

En iyi yanı, her şeyin bir oyundan başka bir şeyle sonuçlanmamasıdır.

Hidrojen durumunda oyun “iki resim arasındaki yedi farkı bulma” oyununa benzer.

Bir malzemedeki atomlar, parçacıkların malzeme içindeki hareketini engelleyen bir tür duvar olan saçılma potansiyeli üretir. Hidrojen malzemeye nüfuz etmeye başlarsa, boşluklar ve dislokasyonlar oluşursa, bu kaçınılmaz olarak saçılma potansiyelini değiştirir.

Bir malzemedeki hidrojen konsantrasyonunu belirlemek için genellikle kullanılan tekniğe Nötron Reflektometri (eğer arkadaşsanız NR) adı verilir. Bir numuneyi bir nötron ışınıyla parlatıyorsunuz ve yansıyan yoğunluğu ölçüyorsunuz. Çekin ve analiz edin, bu kadar basit.

Örneğinizin yansıtıcılığı size saçılma potansiyelinin gücü hakkında bilgi verir. Bu, bilmece kitabımızın solundaki ilk resim. Artık hidrojen malzemeye nüfuz etmeye başlar ve deneyi yeniden gerçekleştirirsiniz. Yansıyan nötron ışınının yoğunluğu değişir. Bu sağdaki resmimiz ve bize kalan tek şey iki resmi karşılaştırmak.

Bu teknik halihazırda yaygın olarak kullanılmaktadır ancak önemli bir sınırlaması vardır. Veri toplama o kadar uzun sürüyor ki, hidrojenin malzemeye nüfuz edip özelliklerini değiştirmesi sırasında zaman içinde meydana gelen olayların ortalamasını görüyoruz.

Hiç çok uzun pozlama kullanarak fotoğraf çektiniz mi? Buradaki sonuç da benzerdir: Hidrojen emilim sürecinin ortalama süresi.

Emilimin bulanık görünümü

Meslektaşlarım ve ben kendimize şu soruyu soruyorduk: Hidrojen emilim süreçlerini gerçek zamanlı olarak nasıl takip edebiliriz? Bu noktada keşke şunu söyleyebilseydim, tam da konuyu tartıştığımız sırada kedim oturma odasına girdi ve meslektaşlarımdan biri onunla lazer işaretleyiciyle oynamaya başladı. Keşke bu fikri bir anekdota bağlayabilseydim ama ne yazık ki entelektüel dürüstlük beni durumun böyle olmadığını söylemek zorunda bırakıyor.

Ancak meslektaşlarımla birlikte ortaya attığımız fikir, kedileri çılgına çeviren lazer işaretleyicinin arkasındaki fikir kadar basit ve etkiliydi.

Şöyle düşündük: Analiz etmek istediğimiz malzemeyi diğer iki malzeme arasına sıkıştırarak yansıyan ışını güçlendirirsek ne olur?

Yapmamız gereken tek şey, sandviçi (veya daha kesin bir ifadeyle bir rezonans odasını) oluşturmak için bir kapak ve bir alt tabaka eklemek olacaktır.

Bu, tıpkı lazerde olduğu gibi sinyali güçlendiren sabit bir nötron dalgası yaratmalıdır. Sinyalin güçlendirilmesi aynı zamanda nötron dedektörümüz için daha önce olduğu gibi uzun bir “maruz kalma süresine” ihtiyacımız olmadığı anlamına da geliyor. Bu tam olarak kullandığımız protokoldür ve artık bu tekniğe Rezonant Nötron Reflektometri adı verilmektedir (eğer arkadaşsanız yine RNR).

Avantajı mı? Bu hile, analizin zaman hassasiyetini iki saatten birkaç saniyeye düşürür.

Peki resmin tamamını nasıl elde edebiliriz? Bunun gerçekleşmesi için alet çantamızdan başka öğeler çıkarmamız gerekiyordu. XRR anahtarından (X-Ray Reflectivity) ve direnç ölçümlerinden bahsediyorum.

XRR, malzemenin yapısal değişikliklerini takip etmeye hizmet ederken, direnç ölçümleri de bize hidrojen emilim süreci sırasında malzemelerin metalik özelliklerinin nasıl değiştiğine dair bir fikir verdi. Bu, nötron ve X-ışını yansımalarının aynı anda kullanıldığı ilk seferdi! (Bunun hakkında Bragg’i kastetmiyoruz.)

Dört aşama, bir basamak

Ama şimdi hepiniz şunu soruyorsunuz: Ne gördük? Hidrojene ne olur?

Artık öğrenmeye hazırsınız.

Her biri bir öncekinin sonucu olan dört farklı hidrojen emilim rejimini ayırt edebildik. Seyircileri nefessiz bırakan, baş dönmesine neden olan olaylar dizisi.

İlk olarak, hidrojen malzemeye tane sınırlarından, boşluklardan ve önceden var olan kusurlardan nüfuz eder.

Bu kusurlardan hidrojen taneciklere girer ve malzemenin kristal yapısını değiştirerek kristal düzlemler arasındaki boşluğun büyük ölçüde genişlemesine neden olur. Bu genişleme, filmde daha fazla plastik deformasyon ve dislokasyon oluşumu yoluyla açığa çıkan büyük gerilimlere neden olur. Son olarak, yeni kusurların varlığı nedeniyle, ilgili hidrit malzemesinde elde edilebilecek miktarları aşan konsantrasyonlara kadar daha fazla hidrojen ince tabakaya nüfuz eder.

Absorbsiyon sürecinin farklı aşamalarını açıklayan ve hidrojen bazlı teknolojilerde kullanılacak malzemelerin tasarlanması söz konusu olduğunda faydalı olabilecek bir olaylar zinciri.

Geleceğe dair umudum, teknoloji ve enerji altyapımızın giderek artan oranda hidrojen bazlı teknolojileri ana aktör olarak içermesidir ve meslektaşlarımla birlikte en azından bir parke taşı koyarak bunun önünü açabildiğimiz için mutluyum. Sonuçta bilim böyle işler: Mümkün olan her yeni fikre ihtiyacı vardır ve herkes katkıda bulunabilir.

Çalışmalarımız dergide yayınlandı Gelişmiş Fonksiyonel Malzemeler.

Bu hikaye, araştırmacıların yayınlanmış araştırma makalelerinden bulguları raporlayabildiği Science X Dialog’un bir parçasıdır. Science X Dialog ve nasıl katılacağınız hakkında bilgi almak için bu sayfayı ziyaret edin.