Observando los efectos del hidrógeno en el metal

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El hidrógeno, el segundo más pequeño de todos los átomos, puede penetrar directamente en la estructura cristalina de un metal sólido.

Esas son buenas noticias para los esfuerzos por almacenar combustible de hidrógeno de manera segura dentro del metal mismo, pero son malas noticias para estructuras como los recipientes a presión en las plantas nucleares, donde la absorción de hidrógeno eventualmente hace que las paredes metálicas del recipiente se vuelvan más quebradizas, lo que puede provocar fallas. Pero este proceso de fragilización es difícil de observar porque los átomos de hidrógeno se difunden muy rápido, incluso dentro del metal sólido.

Ahora, los investigadores del MIT han descubierto una forma de solucionar ese problema, creando una nueva técnica que permite la observación de una superficie metálica durante la penetración del hidrógeno. Sus hallazgos se describen en un artículo que aparece hoy en el International Journal of Hydrogen Energy, por el postdoctorado del MIT Jinwoo Kim y el profesor asistente de metalurgia Thomas B. King C. Cem Tasan.

"Definitivamente es una herramienta genial", dice Chris San Marchi, un miembro distinguido del personal técnico de los Laboratorios Nacionales Sandia, que no participó en este trabajo. "Esta nueva plataforma de imágenes tiene el potencial de abordar algunas preguntas interesantes sobre el transporte y la captura de hidrógeno en los materiales, y potencialmente sobre el papel de la cristalografía y los componentes microestructurales en el proceso de fragilización".

El combustible de hidrógeno se considera una herramienta potencialmente importante para limitar el cambio climático global porque es un combustible de alta energía que eventualmente podría usarse en automóviles y aviones. Sin embargo, se necesitan tanques de alta presión costosos y pesados ​​para contenerlo. Almacenar el combustible en la red cristalina del metal en sí podría ser más barato, más liviano y más seguro, pero primero se debe comprender mejor el proceso de entrada y salida del hidrógeno del metal.

"El hidrógeno puede difundirse a velocidades relativamente altas en el metal, porque es muy pequeño", dice Tasan. "Si toma un metal y lo coloca en un entorno rico en hidrógeno, absorberá el hidrógeno y esto provocará la fragilización por hidrógeno", dice. Esto se debe a que los átomos de hidrógeno tienden a segregarse en ciertas partes de la red cristalina metálica, lo que debilita sus enlaces químicos.

La nueva forma de observar el proceso de fragilización a medida que ocurre puede ayudar a revelar cómo se desencadena la fragilización y puede sugerir formas de ralentizar el proceso, o de evitarlo mediante el diseño de aleaciones que sean menos vulnerables a la fragilización.

San Marchi de Sandia dice que "este método puede desempeñar un papel importante, en coordinación con otras técnicas y simulación, para iluminar las interacciones de defectos de hidrógeno que conducen a la fragilización por hidrógeno. Con una comprensión más completa de los mecanismos de fragilización por hidrógeno, los materiales y las microestructuras pueden estar diseñado para mejorar su rendimiento en entornos extremos de hidrógeno".

La clave del nuevo proceso de monitoreo fue idear una forma de exponer superficies metálicas a un entorno de hidrógeno dentro de la cámara de vacío de un microscopio electrónico de barrido (SEM). Debido a que el SEM requiere un vacío para su funcionamiento, el gas de hidrógeno no puede cargarse en el metal dentro del instrumento y, si está precargado, el gas se difunde rápidamente. En su lugar, los investigadores utilizaron un electrolito líquido que podría estar contenido en una cámara bien sellada, donde se expone a la parte inferior de una fina lámina de metal. La parte superior del metal se expone al haz de electrones SEM, que luego puede sondear la estructura del metal y observar los efectos de los átomos de hidrógeno que migran hacia él.

El hidrógeno del electrolito "se difunde hasta la parte superior" del metal, donde se pueden ver sus efectos, dice Tasan. El diseño básico de este sistema contenido también podría usarse en otros tipos de instrumentos basados ​​en vacío para detectar otras propiedades. "Es una configuración única. Hasta donde sabemos, la única en el mundo que puede realizar algo como esto", dice.

Las imágenes de microscopio electrónico muestran la acumulación de hidrógeno dentro de la estructura cristalina de una aleación de titanio. Las imágenes revelan la forma en que el hidrógeno, representado en azul, migra preferentemente a las interfaces entre los granos de cristal del metal. Cortesía de los investigadores.

En sus pruebas iniciales de tres metales diferentes, dos tipos diferentes de acero inoxidable y una aleación de titanio, los investigadores ya han hecho algunos hallazgos nuevos. Por ejemplo, observaron el proceso de formación y crecimiento de una fase de hidruro a nanoescala en la aleación de titanio más utilizada, a temperatura ambiente y en tiempo real.

Diseñar un sistema a prueba de fugas fue crucial para que el proceso funcionara. El electrolito necesario para cargar el metal con hidrógeno "es un poco peligroso para el microscopio", dice Tasan. "Si la muestra falla y el electrolito se libera en la cámara del microscopio", podría penetrar profundamente en todos los rincones y grietas del dispositivo y ser difícil de limpiar. Cuando llegó el momento de llevar a cabo su primer experimento en el equipo especializado y costoso, dice, "estábamos emocionados, pero también muy nerviosos. Era poco probable que se produjera una falla, pero siempre existe ese miedo".

Kaneaki Tsuzaki, un distinguido profesor de ingeniería química en la Universidad de Kyushu en Japón, que no participó en esta investigación, dice que esta "podría ser una técnica clave para resolver cómo el hidrógeno afecta el movimiento de dislocación. Es muy desafiante porque una solución ácida para el hidrógeno catódico la carga está circulando en una cámara SEM. Es una de las mediciones más peligrosas para la máquina. Si las juntas de circulación tienen fugas, un microscopio electrónico de barrido (SEM) muy costoso se rompería debido a la solución ácida. Un diseño muy cuidadoso y un Se necesita una configuración muy calificada para fabricar este equipo de medición".

Tsuzaki agrega que "una vez que se logre, los resultados de este método serían geniales. Tiene una resolución espacial muy alta debido a SEM; brinda observaciones in situ bajo una atmósfera de hidrógeno bien controlada". Como resultado, dice, cree que Tasan y Kim "obtendrán nuevos hallazgos del movimiento de dislocación asistido por hidrógeno mediante este nuevo método, resolverán el mecanismo de degradación mecánica inducida por hidrógeno y desarrollarán nuevos materiales resistentes al hidrógeno".

El trabajo fue apoyado por Exelon Corp a través del Centro de energía de bajas emisiones de carbono para sistemas avanzados de energía nuclear de MIT Energy Initiative.

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