Osservazione degli effetti dell'idrogeno nei metalli

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L'idrogeno, il secondo più piccolo tra tutti gli atomi, può penetrare direttamente nella struttura cristallina di un metallo solido.

Questa è una buona notizia per gli sforzi volti a immagazzinare l’idrogeno in modo sicuro all’interno del metallo stesso, ma è una cattiva notizia per strutture come i recipienti a pressione negli impianti nucleari, dove l’assorbimento di idrogeno alla fine rende le pareti metalliche del recipiente più fragili, il che può portare al fallimento. Ma questo processo di infragilimento è difficile da osservare perché gli atomi di idrogeno si diffondono molto velocemente, anche all’interno del metallo solido.

Ora, i ricercatori del MIT hanno trovato un modo per aggirare questo problema, creando una nuova tecnica che consente l’osservazione di una superficie metallica durante la penetrazione dell’idrogeno. I loro risultati sono descritti in un articolo apparso oggi sull’International Journal of Hydrogen Energy, del postdoc del MIT Jinwoo Kim e del professore assistente di metallurgia C. Cem Tasan di Thomas B. King.

"È sicuramente uno strumento interessante", afferma Chris San Marchi, un illustre membro dello staff tecnico dei Sandia National Laboratories, che non è stato coinvolto in questo lavoro. “Questa nuova piattaforma di imaging ha il potenziale per rispondere ad alcune domande interessanti sul trasporto e l’intrappolamento dell’idrogeno nei materiali, e potenzialmente sul ruolo della cristallografia e dei costituenti microstrutturali nel processo di infragilimento”.

Il carburante a idrogeno è considerato uno strumento potenzialmente importante per limitare il cambiamento climatico globale perché è un carburante ad alto contenuto energetico che potrebbe eventualmente essere utilizzato nelle automobili e negli aerei. Per contenerlo però sono necessari costosi e pesanti serbatoi ad alta pressione. Immagazzinare il carburante nel reticolo cristallino del metallo stesso potrebbe essere più economico, più leggero e più sicuro, ma prima è necessario comprendere meglio il processo con cui l’idrogeno entra ed esce dal metallo.

"L'idrogeno può diffondersi a velocità relativamente elevate nel metallo, perché è così piccolo", afferma Tasan. "Se prendi un metallo e lo metti in un ambiente ricco di idrogeno, assorbirà l'idrogeno e questo causerà l'infragilimento da idrogeno", dice. Questo perché gli atomi di idrogeno tendono a segregarsi in alcune parti del reticolo cristallino del metallo, indebolendone i legami chimici.

Il nuovo modo di osservare il processo di infragilimento mentre avviene può aiutare a rivelare come si innesca l’infragilimento e può suggerire modi per rallentare il processo – o per evitarlo progettando leghe meno vulnerabili all’infragilimento.

San Marchi di Sandia afferma che "questo metodo può svolgere un ruolo importante - in coordinamento con altre tecniche e simulazioni - per illuminare le interazioni idrogeno-difetto che portano all'infragilimento da idrogeno. Con una comprensione più completa dei meccanismi dell'infragilimento da idrogeno, i materiali e le microstrutture possono essere progettati per migliorare le loro prestazioni in ambienti estremi di idrogeno."

La chiave del nuovo processo di monitoraggio è stata l’ideazione di un modo per esporre le superfici metalliche a un ambiente di idrogeno mentre si trovano all’interno della camera a vuoto di un microscopio elettronico a scansione (SEM). Poiché il SEM richiede il vuoto per il suo funzionamento, l'idrogeno gassoso non può essere caricato nel metallo all'interno dello strumento e, se precaricato, il gas si diffonde rapidamente. Invece, i ricercatori hanno utilizzato un elettrolita liquido che potrebbe essere contenuto in una camera ben sigillata, dove è esposto alla parte inferiore di un sottile foglio di metallo. La parte superiore del metallo è esposta al fascio di elettroni SEM, che può quindi sondare la struttura del metallo e osservare gli effetti degli atomi di idrogeno che migrano al suo interno.