İlk doğrudan gözlemler, metal atomları arasındaki küçük boşluklarda çözünmüş hidrojeni ortaya çıkardı

Sidney Üniversitesi araştırmacıları, metal alaşımlarındaki atomlar arasındaki küçük boşluklardaki hidrojeni doğrudan gözlemleyerek bir buluş gerçekleştirdiler. Hidrojenin bu ‘metal kristal kafeslerde’ çözülmesinin dünyada ilk kez gözlemlenmesi, hidrojenin neden metalleri zayıflatabileceğine ve hidrojene daha dirençli malzemelerin nasıl geliştirilebileceğine dair yeni bilgiler sunuyor.

Hidrojenin daha temiz bir enerji geleceğindeki rolü iyi biliniyor, ancak onu güvenli bir şekilde depolamak ve taşımak hala bir zorluk. Hidrojen, metal boru hatlarına ve depolama ekipmanlarına girerek bazen güçlü metallerin beklenmedik çatlamalara maruz kalmasına neden olabilir. Bu, hidrojen kırılganlığı olarak bilinir.

Bu riski anlamak ve azaltmak için bilim adamlarının bir metale ne kadar hidrojenin girdiğini, nereye gittiğini ve metalle içeriden nasıl etkileşime girdiğini bilmeleri gerekiyor. Ancak hidrojen atomları çok küçük ve çok hareketlidir, dolayısıyla alaşımların içinde nerede bulunduklarını gözlemlemek metalurji araştırmacıları için kutsal bir kâsedir.

Profesör Julie Cairney liderliğindeki araştırma ekibi, hidrojenin metaldeki kusurlarda birikmesini gözlemlemek yerine, metal atomları arasında yeni gözlemler yaptı. Araştırmacılar ayrıca metal atomlarının düzeninin ve kimyasal yapısının hidrojenin nerede bulunmayı tercih ettiğini etkilediğini de buldu.

Yayınlandığı yer DoğaBu bilgiler, bilim adamlarının hidrojenin metaller arasında nasıl hareket ettiğini, nerede toplandığını ve hasara nasıl katkıda bulunabileceğini anlamalarına yardımcı olacak. Bu bilgi daha güçlü, hidrojene daha dirençli alaşımların geliştirilmesine rehberlik edebilir.

Hidrojeni görmekten davranışını anlamaya kadar

Hidrojen metallerde üç ana biçimde bulunabilir: hidritler olarak bilinen bileşikler olarak; kusurların içinde sıkışıp kalmış; veya metal atomları arasındaki küçük boşluklarda çözünmüş haldedir. İlk ikisi daha önce deneysel olarak gözlemlenmişti ancak üçüncüsünün teorik olarak anlaşılmasına rağmen doğrudan gözlemlenmesi son derece zordu.

Araştırma ekibi, hidrojenin üç boyutlu dağılımını çeşitli metalik alaşımlardaki hidrojenin daha ağır bir formu olan döteryumla değiştirerek araştırmak için kriyojenik atom prob tomografisini (kriyo-APT) kullandı. Bu, deneyler sırasında ortaya çıkan hidrojeni takip etmelerine ve numune hazırlama sırasındaki kaybını en aza indirmelerine olanak tanıdı ve metallerin içindeki dağılımının incelenmesini kolaylaştırdı.

Döteryumun belirli bölgelerde tercihen biriktiğini buldular; bu da metal atomlarının düzeninin ve kimyasal bileşiminin, hidrojenin metal içinde bulunduğu yeri nasıl etkilediğini ortaya çıkardı. Ekip, elektron mikroskobu ve teorik hesaplamaların eklenmesiyle, hidrojenin yalnızca kusurlarda sıkışıp kalmaktan ziyade, ara durum olarak bilinen metal atomları arasında mevcut olduğunu doğruladı.

Gelecekteki hidrojen teknolojilerinin temellerini oluşturmak

Havacılık, Makine ve Mekatronik Mühendisliği Okulu (AMME) ve Avustralya Mikroskopi ve Mikroanaliz Merkezi’nden (ACMM) Cairney, bulguların metallerdeki hidrojenin temel fiziğini anlama yönünde önemli bir adıma işaret ettiğini söyledi.

Cairney, “Hidrojenin yalnızca nerede biriktiğini değil, aynı zamanda neden belirli atomik ortamları tercih ettiğini de belirleyerek, onun metallerdeki temel davranışları hakkında daha derin bir anlayış kazanabiliriz” dedi.

“Bu anlayış, hidrojenin depolanması ve taşınması için daha güvenli ve daha güvenilir malzemelerin geliştirilmesi ve gelecekteki hidrojen enerjisi teknolojilerinin bilimsel temellerinin atılmasına yardımcı olmak için gereklidir.”

Hidrojeni anlamanın uzun yolu

Araştırmanın ilk yazarı, doktorasını yakın zamanda tamamlayan doktora sonrası araştırmacı Dr. Chao Huang. Mühendislik Fakültesi’nden bilim adamı, keşfin Cairney ekibinin yıllar süren araştırmalarına dayandığını söyledi.

Huang, “Bu çalışma, hidrojenin metallerde nasıl bulunduğunu ve çeşitli durumlarının performansını nasıl etkilediğini araştırıyor” dedi.

“Bir sonraki adımımız, metallerin içindeki hidrojenin, metallerin stres altında deforme olma ve performans gösterme biçimini nasıl etkilediğini anlamaktır. Ultra yüksek dayanımlı çelikler üzerindeki araştırmamız aracılığıyla zaten bu hedefe ulaşıyoruz. Sonuçta, bu içgörüleri, gerçek dünyadaki mühendislik uygulamaları için daha güçlü, hidrojene daha dirençli çelikler geliştirmek için kullanmayı umuyoruz.”

Cairney, “Avustralya’nın temiz enerjiye geçişinde hidrojen giderek daha önemli hale geldikçe, hidrojenin atomik ölçekteki davranışlarını anlamak, hidrojen açısından zengin ortamlarda güvenli ve güvenilir bir şekilde performans gösterebilecek malzemeler geliştirmek için gerekli olacaktır” dedi.