Um estudo colaborativo de cinco anos por cientistas chineses e canadenses produziu um modelo teórico por meio de simulação de computador para prever propriedades de nanobolhas de hidrogênio em metal.

A equipe internacional foi composta por cientistas chineses do Instituto de Física do Estado Sólido do Instituto de Ciências Físicas de Hefei, juntamente com seus parceiros canadenses da Universidade McGill. Os resultados serão publicados em Materiais da Natureza em 15 de julho.

Os pesquisadores acreditam que seu estudo pode permitir a compreensão e avaliação quantitativa dos danos induzidos por hidrogênio em ambientes ricos em hidrogênio, como núcleos de reatores de fusão.

Hidrogênio, o elemento mais abundante no universo conhecido, é um combustível altamente antecipado para reações de fusão e, portanto, um importante foco de estudo.

Em certos ambientes enriquecidos com hidrogênio, por exemplo., armadura de tungstênio no núcleo de um reator de fusão, o material metálico pode ser danificado de forma séria e irreparável por exposição extensa ao hidrogênio.

Sendo o menor elemento, o hidrogênio pode penetrar facilmente nas superfícies metálicas através das lacunas entre os átomos metálicos. Esses átomos de hidrogênio podem ser facilmente presos dentro de vazios em nanoescala ("nanovazes") em metais criados durante a fabricação ou por irradiação de nêutrons no reator de fusão. Essas nanobolhas ficam cada vez maiores sob a pressão interna do hidrogênio e, finalmente, levam à falha do metal.

Não surpreendentemente, a interação entre hidrogênio e nanovazes que promovem a formação e o crescimento de bolhas é considerada a chave para tal falha. Ainda, as propriedades básicas das nanobolhas de hidrogênio, como seu número e a força do hidrogênio aprisionado nas bolhas, tem sido amplamente desconhecido.

Além disso, as técnicas experimentais disponíveis tornam praticamente impossível observar diretamente bolhas de hidrogênio em nanoescala.

Para resolver este problema, a equipe de pesquisa propôs, em vez disso, usar simulações de computador baseadas na mecânica quântica fundamental. Contudo, a complexidade estrutural das nanobolhas de hidrogênio tornava a simulação numérica extremamente complicada. Como resultado, os pesquisadores precisaram de cinco anos para produzir simulações de computador suficientes para responder às suas perguntas.

No fim, Contudo, eles descobriram que o comportamento de aprisionamento de hidrogênio em nanovazes - embora aparentemente complicado - na verdade segue regras simples.

Primeiro, átomos de hidrogênio individuais são adsorvidos, de forma mutuamente exclusiva, pela superfície interna de nanovazes com níveis de energia distintos. Segundo, após um período de adsorção de superfície, o hidrogênio é empurrado - devido ao espaço limitado - para o núcleo nanovóide onde o gás hidrogênio molecular se acumula.

Seguindo essas regras, a equipe criou um modelo que prevê com precisão as propriedades das nanobolhas de hidrogênio e está de acordo com as observações experimentais recentes.

Assim como o hidrogênio preenche nanovazes em metais, esta pesquisa preenche uma lacuna de longa data na compreensão de como as nanobolhas de hidrogênio se formam nos metais. O modelo fornece uma ferramenta poderosa para avaliar danos induzidos por hidrogênio em reatores de fusão, abrindo assim o caminho para a colheita de energia de fusão no futuro.