Hidrogênio, o segundo menor de todos os átomos, pode penetrar diretamente na estrutura cristalina de um metal sólido.

Isso é uma boa notícia para os esforços para armazenar combustível de hidrogênio com segurança dentro do próprio metal, mas é uma má notícia para estruturas como vasos de pressão em usinas nucleares, onde a absorção de hidrogênio eventualmente torna as paredes de metal do navio mais quebradiças, o que pode levar ao fracasso. Mas este processo de fragilização é difícil de observar porque os átomos de hidrogênio se difundem muito rápido, mesmo dentro do metal sólido.

Agora, pesquisadores do MIT descobriram uma maneira de contornar esse problema, criando uma nova técnica que permite a observação de uma superfície metálica durante a penetração do hidrogênio. Suas descobertas são descritas em um artigo publicado hoje no Jornal Internacional de Energia de Hidrogênio , pelo pós-doutorado do MIT Jinwoo Kim e Thomas B. King Professor Assistente de Metalurgia C. Cem Tasan.

"É definitivamente uma ferramenta legal, "diz Chris San Marchi, um distinto membro da equipe técnica do Sandia National Laboratories, que não estava envolvido neste trabalho. "Esta nova plataforma de imagem tem o potencial de abordar algumas questões interessantes sobre o transporte de hidrogênio e aprisionamento de materiais, e, potencialmente, sobre o papel da cristalografia e dos constituintes microestruturais no processo de fragilização. "

O combustível hidrogênio é considerado uma ferramenta potencialmente importante para limitar a mudança climática global porque é um combustível de alta energia que poderia eventualmente ser usado em carros e aviões. Contudo, tanques de alta pressão caros e pesados ​​são necessários para contê-lo. Armazenar o combustível na estrutura cristalina do próprio metal pode ser mais barato, mais leve, e mais seguro - mas primeiro o processo de como o hidrogênio entra e sai do metal deve ser melhor compreendido.

"O hidrogênio pode se difundir em taxas relativamente altas no metal, porque é tão pequeno, "Tasan diz." Se você pegar um metal e colocá-lo em um ambiente rico em hidrogênio, vai absorver o hidrogênio, e isso causa fragilização por hidrogênio, ", diz ele. Isso porque os átomos de hidrogênio tendem a segregar em certas partes da estrutura do cristal de metal, enfraquecendo suas ligações químicas.

A nova forma de observar o processo de fragilização à medida que ele ocorre pode ajudar a revelar como a fragilização é desencadeada, e pode sugerir maneiras de retardar o processo - ou evitá-lo projetando ligas que são menos vulneráveis ​​à fragilização.

San Marchi de Sandia diz que "este método pode desempenhar um papel importante - em coordenação com outras técnicas e simulação - para iluminar as interações defeito do hidrogênio que levam à fragilização por hidrogênio. Com uma compreensão mais abrangente dos mecanismos de fragilização por hidrogênio, materiais e microestruturas podem ser projetados para melhorar seu desempenho em ambientes extremos de hidrogênio. "

A chave para o novo processo de monitoramento foi conceber uma maneira de expor superfícies metálicas a um ambiente de hidrogênio enquanto dentro da câmara de vácuo de um microscópio eletrônico de varredura (SEM). Como o SEM requer vácuo para seu funcionamento, gás hidrogênio não pode ser carregado no metal dentro do instrumento, e se pré-carregado, o gás se espalha rapidamente. Em vez de, os pesquisadores usaram um eletrólito líquido que poderia ser contido em uma câmara bem selada, onde é exposto à parte inferior de uma fina folha de metal. A parte superior do metal é exposta ao feixe de elétrons SEM, que pode então sondar a estrutura do metal e observar os efeitos da migração dos átomos de hidrogênio para dentro dele.

O hidrogênio do eletrólito "se espalha por todo o caminho até o topo" do metal, onde seus efeitos podem ser vistos, Tasan diz. O projeto básico deste sistema contido também pode ser usado em outros tipos de instrumentos baseados em vácuo para detectar outras propriedades. "É uma configuração única. Pelo que sabemos, o único no mundo que pode perceber algo assim, " ele diz.

As imagens do microscópio eletrônico mostram o acúmulo de hidrogênio na estrutura cristalina de uma liga de titânio. As imagens revelam a forma como o hidrogênio, retratado em azul, migra preferencialmente para as interfaces entre os grãos de cristal no metal. Cortesia dos pesquisadores.

Em seus testes iniciais de três metais diferentes - dois tipos diferentes de aço inoxidável e uma liga de titânio - os pesquisadores já fizeram algumas novas descobertas. Por exemplo, eles observaram o processo de formação e crescimento de uma fase de hidreto em nanoescala na liga de titânio mais comumente usada, à temperatura ambiente e em tempo real.

Conceber um sistema à prova de vazamentos foi crucial para fazer o processo funcionar. O eletrólito necessário para carregar o metal com hidrogênio, "é um pouco perigoso para o microscópio, "Tasan diz." Se a amostra falhar e o eletrólito for liberado na câmara do microscópio, "ele poderia penetrar em todos os cantos do dispositivo e ser difícil de limpar. Quando chegou a hora de realizar seu primeiro experimento com o equipamento especializado e caro, ele diz, "estávamos entusiasmados, mas também muito nervoso. Era improvável que o fracasso ocorresse, mas sempre há esse medo. "

Kaneaki Tsuzaki, um distinto professor de engenharia química na Universidade Kyushu no Japão, que não estava envolvido nesta pesquisa, diz que "poderia ser uma técnica chave para resolver como o hidrogênio afeta o movimento de deslocamento. É muito desafiador porque uma solução de ácido para carga catódica de hidrogênio está circulando em uma câmara SEM. É uma das medições mais perigosas para a máquina. Se a circulação vazamento nas juntas, um microscópio eletrônico de varredura (SEM) muito caro seria quebrado devido à solução ácida. Um projeto muito cuidadoso e uma configuração de alta habilidade são necessários para fazer este equipamento de medição. "

Tsuzaki acrescenta que "uma vez realizado, as saídas por este método seriam super. Possui altíssima resolução espacial devido ao SEM; fornece observações in situ sob uma atmosfera de hidrogênio bem controlada. "Como resultado, ele diz, ele acredita que Tasan e Kim "obterão novas descobertas do movimento de deslocamento assistido por hidrogênio por este novo método, resolver o mecanismo de degradação mecânica induzida por hidrogênio, e desenvolver novos materiais resistentes ao hidrogênio. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.