Observando os efeitos do hidrogênio no metal

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O hidrogênio, o segundo menor de todos os átomos, pode penetrar diretamente na estrutura cristalina de um metal sólido.

Isso é uma boa notícia para os esforços para armazenar combustível de hidrogênio com segurança dentro do próprio metal, mas é uma má notícia para estruturas como vasos de pressão em usinas nucleares, onde a absorção de hidrogênio eventualmente torna as paredes de metal do recipiente mais frágeis, o que pode levar à falha. Mas esse processo de fragilização é difícil de observar porque os átomos de hidrogênio se difundem muito rapidamente, mesmo dentro do metal sólido.

Agora, pesquisadores do MIT descobriram uma maneira de contornar esse problema, criando uma nova técnica que permite a observação de uma superfície metálica durante a penetração do hidrogênio. Suas descobertas são descritas em um artigo publicado hoje no International Journal of Hydrogen Energy, pelo pós-doutorado do MIT Jinwoo Kim e Thomas B. King Professor Assistente de Metalurgia C. Cem Tasan.

"É definitivamente uma ferramenta legal", diz Chris San Marchi, um distinto membro da equipe técnica do Sandia National Laboratories, que não esteve envolvido neste trabalho. “Esta nova plataforma de imagem tem o potencial de abordar algumas questões interessantes sobre transporte de hidrogênio e aprisionamento em materiais e, potencialmente, sobre o papel da cristalografia e constituintes microestruturais no processo de fragilização”.

O combustível de hidrogênio é considerado uma ferramenta potencialmente importante para limitar a mudança climática global porque é um combustível de alta energia que pode eventualmente ser usado em carros e aviões. No entanto, tanques de alta pressão caros e pesados ​​são necessários para contê-lo. Armazenar o combustível na rede cristalina do próprio metal pode ser mais barato, mais leve e mais seguro – mas primeiro o processo de como o hidrogênio entra e sai do metal deve ser melhor compreendido.

"O hidrogênio pode se difundir em taxas relativamente altas no metal, porque é muito pequeno", diz Tasan. "Se você pegar um metal e colocá-lo em um ambiente rico em hidrogênio, ele absorverá o hidrogênio e isso causa a fragilização do hidrogênio", diz ele. Isso porque os átomos de hidrogênio tendem a se segregar em certas partes da rede cristalina do metal, enfraquecendo suas ligações químicas.

A nova maneira de observar o processo de fragilização conforme ele acontece pode ajudar a revelar como a fragilização é desencadeada e pode sugerir maneiras de retardar o processo - ou de evitá-lo projetando ligas menos vulneráveis ​​à fragilização.

San Marchi, da Sandia, diz que "este método pode desempenhar um papel importante - em coordenação com outras técnicas e simulação - para iluminar as interações de defeitos de hidrogênio que levam à fragilização por hidrogênio. Com uma compreensão mais abrangente dos mecanismos de fragilização por hidrogênio, materiais e microestruturas podem ser projetado para melhorar seu desempenho em ambientes extremos de hidrogênio."

A chave para o novo processo de monitoramento foi criar uma maneira de expor as superfícies metálicas a um ambiente de hidrogênio dentro da câmara de vácuo de um microscópio eletrônico de varredura (SEM). Como o SEM requer vácuo para sua operação, o gás hidrogênio não pode ser carregado no metal dentro do instrumento e, se pré-carregado, o gás se difunde rapidamente. Em vez disso, os pesquisadores usaram um eletrólito líquido que pode ser contido em uma câmara bem vedada, onde é exposto à parte inferior de uma fina folha de metal. A parte superior do metal é exposta ao feixe de elétrons SEM, que pode então sondar a estrutura do metal e observar os efeitos dos átomos de hidrogênio migrando para ele.