一组研究人员创造了一种简单且廉价的方法来可视化氢的原子态。

他们的突破细节于 2024 年 11 月 17 日发表在Acta Materialia杂志上。

氢不含二氧化碳，长期以来一直被誉为清洁能源。然而，将社会转向以氢能为基础的社会需要克服一些重大的技术问题。需要生产、储存、运输和保存氢气的结构和功能材料。

为了开发用于氢相关应用的先进材料，对氢在合金中的行为有一个基本的了解至关重要。然而，目前的技术在这方面还存在不足。由于其独特的特性，用 X 射线或激光检测原子态氢(宇宙中最小的原子)具有挑战性。研究人员目前正在专注于更好的分析和可视化技术，这些技术可以同时结合高空间和时间分辨率。

东北大学助理教授 Hiroshi Kakinuma 和他的合著者开发了一种利用光学显微镜和聚苯胺层的新可视化技术。Kakinuma 指出：“当聚苯胺层的颜色与金属中的原子态氢发生反应时，它会改变颜色，使我们能够根据聚苯胺层的颜色分布来分析氢原子的流动。” “此外，光学显微镜可以实时观察具有微米级空间分辨率的亚毫米级视图，从而以前所未有的高空间和时间分辨率捕获氢的行为。”

借助这种方法，研究人员成功拍摄了纯镍(Ni)中氢原子的流动。当与金属中的氢原子反应时，聚苯胺的颜色从紫色变为白色。原位可视化显示，纯镍中的氢原子优先通过无序镍原子的晶界扩散。

此外，研究小组发现氢扩散取决于晶界的几何结构：氢通量在具有较大几何空间的晶界处增长。这些结果通过实验阐明了纯镍的原子尺度结构与氢扩散行为之间的关系。

该方法也有更广泛的应用。它可以应用于其他金属和合金，例如钢和铝合金，并极大地有助于阐明微观的氢-材料相互作用，可以通过模拟进一步研究这一相互作用。

Kakinuma 补充道：“了解与合金原子尺度结构相关的氢行为将有助于实现高效的合金设计，这将极大地加速高功能材料的开发，让我们离氢能社会又近了一步。”