Een vijf jaar durend gezamenlijk onderzoek door Chinese en Canadese wetenschappers heeft via computersimulatie een theoretisch model opgeleverd om de eigenschappen van waterstofnanobellen in metaal te voorspellen.

Het internationale team bestond uit Chinese wetenschappers van het Institute of Solid State Physics van het Hefei Institute of Physical Science, samen met hun Canadese partners van McGill University. De resultaten worden gepubliceerd in Natuurmaterialen op 15 juli.

De onderzoekers denken dat hun onderzoek kwantitatief begrip en evaluatie van door waterstof veroorzaakte schade in waterstofrijke omgevingen zoals kernen van fusiereactoren mogelijk kan maken.

Waterstof, het meest voorkomende element in het bekende universum, is een langverwachte brandstof voor fusiereacties en dus een belangrijk aandachtspunt van onderzoek.

In bepaalde met waterstof verrijkte omgevingen, bijv. wolfraampantser in de kern van een fusiereactor, metalen materiaal kan ernstig en onherstelbaar worden beschadigd door uitgebreide blootstelling aan waterstof.

Omdat het het kleinste element is, waterstof kan gemakkelijk metalen oppervlakken binnendringen door openingen tussen metaalatomen. Deze waterstofatomen kunnen gemakkelijk worden gevangen in holtes op nanoschaal ("nanooïden") in metalen die tijdens de productie of door neutronenbestraling in de fusiereactor ontstaan. Deze nanobellen worden steeds groter onder interne waterstofdruk en leiden uiteindelijk tot metaalfalen.

Niet verrassend, het samenspel tussen waterstof en nanoholtes die de vorming en groei van bellen bevorderen, wordt beschouwd als de sleutel tot een dergelijk falen. Nog, de basiseigenschappen van waterstof nanobellen, zoals hun aantal en de sterkte van de waterstof die in de bellen zit, grotendeels onbekend was.

Verder, beschikbare experimentele technieken maken het praktisch onmogelijk om waterstofbellen op nanoschaal direct waar te nemen.

Om dit probleem aan te pakken, het onderzoeksteam stelde in plaats daarvan voor om computersimulaties te gebruiken op basis van fundamentele kwantummechanica. Echter, de structurele complexiteit van waterstofnanobellen maakte numerieke simulatie uiterst gecompliceerd. Als resultaat, de onderzoekers hadden vijf jaar nodig om voldoende computersimulaties te maken om hun vragen te beantwoorden.

Uiteindelijk, echter, ze ontdekten dat waterstofvanggedrag in nanoholtes - hoewel schijnbaar gecompliceerd - in feite eenvoudige regels volgt.

Eerst, individuele waterstofatomen worden geadsorbeerd, op een manier die elkaar uitsluit, door het binnenoppervlak van nanovoids met verschillende energieniveaus. Tweede, na een periode van oppervlakteadsorptie, waterstof wordt - vanwege de beperkte ruimte - naar de nanovormige kern geduwd, waar moleculair waterstofgas zich vervolgens ophoopt.

Naar aanleiding van deze regels, het team creëerde een model dat de eigenschappen van waterstofnanobellen nauwkeurig voorspelt en goed overeenkomt met recente experimentele waarnemingen.

Net zoals waterstof nanoholtes in metalen opvult, dit onderzoek vult een al lang bestaande leemte in het begrip van hoe waterstof nanobellen in metalen ontstaan. Het model biedt een krachtig hulpmiddel voor het evalueren van door waterstof veroorzaakte schade in fusiereactoren, daarmee de weg vrijmakend voor het oogsten van fusie-energie in de toekomst.