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          客觀日本

          日本東北大學金屬材料研究所開發出氫在金屬中運動狀態的可視化新技術

          2023年12月20日 化學材料

          氫社會的實現需要用于制造、儲存、運輸和保存氫氣的材料,為了了解氫在材料中的行為,需要特殊設備和環境,觀察范圍也很受限制。

          日本東北大學金屬材料研究所的柿沼洋助教等開發出了一種新技術,可以通過使用與氫原子反應后顏色發生變化的高分子聚苯胺和通用的光學顯微鏡,用簡便而廉價的方法拍攝氫在金屬中運動情況的視頻。相關成果已刊登在《Acta Materialia》上。

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          (a)傳統氫檢測技術與本研究開發的氫可視化技術在空間和時間分辨率上的比較。
          (b)本研究提出的氫可視化技術示意圖。(供圖:東北大學)

          聚苯胺與金屬中的氫原子反應后顏色會發生變化,使得金屬中的氫分布狀態可視化成為可能。此外,光學顯微鏡還可以以微尺度的空間分辨率拍攝亞毫米寬視場視頻圖像。因此,通過使用光學顯微鏡觀察聚苯胺的顏色,能夠以遠超傳統技術的空間分辨率和時間分辨率觀察寬視場中的氫。

          在本次研究中,研究人員觀察了氫在純鎳箔中移動的狀況。進入到純鎳箔中的氫以濃度梯度為驅動力進行擴散,到達聚苯胺成膜的純鎳箔的另一側。當聚苯胺與金屬中的氫原子發生反應時,顏色會從紫色變成白色,所以用光學顯微鏡觀察聚苯胺的顏色,就可以分析氫在純鎳中的行為。實際對純鎳中氫原子流動情況的分析表明,氫會優先在鎳原子排列紊亂的晶粒間界擴散。

          此外,研究人員還發現,氫的擴散根據晶粒間界的類型不同而產生變化。例如,氫原子在純鎳中的擴散取決于鎳原子的排列,幾何空間越大的晶粒間界,氫的流動量就越大。

          上述結果是通過實驗揭示金屬材料的原子水平結構特征與氫行為之間關系的事例,并且是首次利用高空間和高時間分辨率氫觀測技術獲得的,而這種觀測使用傳統方法是無法實現的。

          此次開發的新型氫觀測方法適用于所有金屬。該方法有望通過實驗闡明此前只能通過模擬計算來探討的各種金屬構造與氫行為之間的關系。此外,通過闡明原子水平的金屬結構與微尺度的氫行為之間的因果關系,有望實現高效的材料設計。

          原文:《科學新聞》
          翻譯:JST客觀日本編輯部

          【論文信息】
          雜志:Acta Materialia
          論文:In situ visualization of misorientation-dependent hydrogen diffusion at grain boundaries of pure polycrystalline Ni using a hydrogen video imaging system
          DOI:10.1016/j.actamat.2023.119536