Cette illustration présente les principaux éléments du système utilisé par l'équipe :La dalle multicolore au centre est la couche métallique étudiée, la région bleu pâle à gauche est la solution d'électrolyte utilisée comme source d'hydrogène, les petits points bleus sont les atomes d'hydrogène, et les faisceaux laser verts à droite sondent le processus. Le grand cylindre à droite est une sonde utilisée pour indenter le métal pour tester ses propriétés mécaniques. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
Hydrogène, le deuxième plus petit de tous les atomes, peut pénétrer jusque dans la structure cristalline d'un métal solide.
C'est une bonne nouvelle pour les efforts visant à stocker l'hydrogène en toute sécurité dans le métal lui-même, mais c'est une mauvaise nouvelle pour les structures telles que les appareils à pression dans les centrales nucléaires, où l'absorption d'hydrogène finit par rendre les parois métalliques du navire plus fragiles, qui peut conduire à l'échec. Mais ce processus de fragilisation est difficile à observer car les atomes d'hydrogène diffusent très rapidement, même à l'intérieur du métal solide.
Maintenant, les chercheurs du MIT ont trouvé un moyen de contourner ce problème, créer une nouvelle technique qui permet l'observation d'une surface métallique lors de la pénétration de l'hydrogène. Leurs conclusions sont décrites dans un article paru aujourd'hui dans le Journal international de l'énergie hydrogène , par le postdoctorant MIT Jinwoo Kim et Thomas B. King Professeur assistant de métallurgie C. Cem Tasan.
"C'est définitivement un outil sympa, " dit Chris San Marchi, un membre distingué du personnel technique de Sandia National Laboratories, qui n'a pas participé à ce travail. "Cette nouvelle plateforme d'imagerie a le potentiel de répondre à des questions intéressantes sur le transport et le piégeage de l'hydrogène dans les matériaux, et potentiellement sur le rôle de la cristallographie et des constituants microstructuraux sur le processus de fragilisation."
Le carburant hydrogène est considéré comme un outil potentiellement majeur pour limiter le changement climatique mondial, car il s'agit d'un carburant à haute énergie qui pourrait éventuellement être utilisé dans les voitures et les avions. Cependant, des réservoirs à haute pression coûteux et lourds sont nécessaires pour le contenir. Stocker le carburant dans le réseau cristallin du métal lui-même pourrait être moins cher, briquet, et plus sûr, mais il faut d'abord mieux comprendre le processus d'entrée et de sortie de l'hydrogène dans le métal.
"L'hydrogène peut diffuser à des taux relativement élevés dans le métal, parce que c'est si petit, " dit Tasan. " Si vous prenez un métal et le mettez dans un environnement riche en hydrogène, il va absorber l'hydrogène, et cela provoque une fragilisation par l'hydrogène, " dit-il. C'est parce que les atomes d'hydrogène ont tendance à se séparer dans certaines parties du réseau cristallin métallique, affaiblissant ses liaisons chimiques.
La nouvelle façon d'observer le processus de fragilisation tel qu'il se produit peut aider à révéler comment la fragilisation se déclenche, et il peut suggérer des moyens de ralentir le processus ou de l'éviter en concevant des alliages moins vulnérables à la fragilisation.
La configuration expérimentale du microscope électronique à balayage utilisée par les chercheurs pour étudier le processus de chargement d'hydrogène. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
San Marchi de Sandia dit que "cette méthode peut jouer un rôle important - en coordination avec d'autres techniques et simulations - pour éclairer les interactions hydrogène-défaut qui conduisent à la fragilisation par l'hydrogène. Avec une compréhension plus complète des mécanismes de la fragilisation par l'hydrogène, les matériaux et les microstructures peuvent être conçus pour améliorer leurs performances dans des environnements d'hydrogène extrêmes."
La clé du nouveau processus de surveillance consistait à concevoir un moyen d'exposer des surfaces métalliques à un environnement d'hydrogène à l'intérieur de la chambre à vide d'un microscope électronique à balayage (MEB). Parce que le SEM nécessite un vide pour son fonctionnement, l'hydrogène gazeux ne peut pas être chargé dans le métal à l'intérieur de l'instrument, et si préchargé, le gaz se diffuse rapidement. Au lieu, les chercheurs ont utilisé un électrolyte liquide qui pouvait être contenu dans une chambre bien scellée, où il est exposé à la face inférieure d'une mince feuille de métal. Le sommet du métal est exposé au faisceau d'électrons SEM, qui peut alors sonder la structure du métal et observer les effets des atomes d'hydrogène qui y migrent.
L'hydrogène de l'électrolyte "diffuse jusqu'au sommet" du métal, où ses effets sont visibles, dit Tasan. La conception de base de ce système confiné pourrait également être utilisée dans d'autres types d'instruments à vide pour détecter d'autres propriétés. « C'est une configuration unique. À notre connaissance, le seul au monde qui peut réaliser quelque chose comme ça, " il dit.
Les images au microscope électronique montrent l'accumulation d'hydrogène dans la structure cristalline d'un alliage de titane. Les images révèlent la façon dont l'hydrogène, représenté en bleu, migre préférentiellement dans les interfaces entre les grains cristallins du métal. Avec l'aimable autorisation des chercheurs.
Lors de leurs premiers tests sur trois métaux différents, deux types différents d'acier inoxydable et un alliage de titane, les chercheurs ont déjà fait de nouvelles découvertes. Par exemple, ils ont observé la formation et le processus de croissance d'une phase d'hydrure à l'échelle nanométrique dans l'alliage de titane le plus couramment utilisé, à température ambiante et en temps réel.
Concevoir un système étanche était crucial pour que le processus fonctionne. L'électrolyte nécessaire pour charger le métal en hydrogène, "est un peu dangereux pour le microscope, " dit Tasan. " Si l'échantillon échoue et que l'électrolyte est libéré dans la chambre du microscope, " il pouvait pénétrer loin dans tous les coins et recoins de l'appareil et être difficile à nettoyer. Quand est venu le temps de réaliser leur première expérience dans l'équipement spécialisé et coûteux, il dit, "nous étions excités, mais aussi très nerveux. Il était peu probable qu'un échec se produise, mais il y a toujours cette peur."
Kaneaki Tsuzaki, un éminent professeur de génie chimique à l'Université de Kyushu au Japon, qui n'a pas participé à cette recherche, dit cela "pourrait être une technique clé pour résoudre comment l'hydrogène affecte le mouvement de dislocation. C'est très difficile car une solution acide pour la charge cathodique d'hydrogène circule dans une chambre SEM. C'est l'une des mesures les plus dangereuses pour la machine. Si la circulation fuite de joints, un microscope électronique à balayage (MEB) très coûteux serait cassé à cause de la solution acide. Une conception très soignée et une configuration très pointue sont nécessaires à la fabrication de cet équipement de mesure."
Tsuzaki ajoute qu'« une fois que c'est accompli, les sorties par cette méthode seraient super. Il a une résolution spatiale très élevée grâce au SEM; il donne des observations in-situ sous une atmosphère d'hydrogène bien contrôlée. il dit, il pense que Tasan et Kim « obtiendront de nouvelles découvertes sur le mouvement de dislocation assisté par hydrogène par cette nouvelle méthode, résoudre le mécanisme de dégradation mécanique induite par l'hydrogène, et développer de nouveaux matériaux résistants à l'hydrogène."
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
