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科學家創造出金屬中氫納米孔相互作用的預測模型！中國和加拿大科學家進行了為期五年的合作研究，通過計算機模擬，建立了一個理論模型來預測金屬中氫納米氣泡的性質。國際團隊由合肥物理科學研究院固體物理研究所的中國科學家和加拿大麥吉爾大學合作夥伴組成，其研究成果發表在了《自然材料》上。研究人員認為，研究可能有助於定量理解和評估富氫環境(如聚變反應堆堆芯)中氫引起的損害。
氫是已知宇宙中最豐富的元素，是聚變反應一種備受期待的燃料，因此也是研究的一個重要焦點。在某些富氫環境中，例如核聚變反應堆核心的鎢防護層，金屬材料可能因長期接觸氫而受到嚴重和不可修復的損傷。氫是最輕的元素，很容易通過金屬原子間的間隙穿透金屬表面。這些氫原子很容易被困在金屬的納米級空隙(「納米空隙」)中，這些空隙要麼是在製造過程中產生，要麼是在聚變反應堆中通過中子輻照產生。
這些納米氣泡在內部氫氣壓力下變得越來越大，最終導致金屬失效。不出意料，氫和納米孔之間的相互作用促使了氣泡的形成和生長，這被認為是這種失敗的關鍵。然而，氫納米氣泡的基本性質，如數量和被包裹在氣泡中氫的強度，在很大程度上是未知的。此外，現有實驗技術使得直接觀察納米級氫氣泡幾乎不可能。為了解決這個問題，研究小組建議使用基於基本量子力學的計算機模擬。
然而，氫納米氣泡的結構複雜性使得數值模擬極其複雜。因此，研究人員需要五年時間來製作足夠的計算機模擬來回答這個問題。然而，最終發現，納米空隙中的氫捕獲行為（儘管看起來很複雜）實際上遵循著簡單的規則。首先，單個氫原子以相互排斥的方式被具有不同能級納米空隙的內表面吸附。其次，經過一段時間的表面吸附後，由於空間有限，氫被推到納米空隙的核心，在那裡分子氫氣聚集。
根據這些規則，研究小組建立了一個模型，該模型能夠準確預測氫納米氣泡的性質，並與實驗觀察結果吻合良好。正如氫在金屬中填充納米氣泡一樣，這項研究填補了長期以來在理解金屬中納米氣泡是如何形成方面的空白。該模型為核聚變反應堆氫致損傷的評估提供了有力工具，為未來獲取核聚變能量鋪平了道路。
博科園｜研究/來自：中國科學院參考期刊《自然材料》DOI: 10.1038/s41563-019-0422-4博科園｜科學、科技、科研、科普