Natuurkundigen van de Rijksuniversiteit Groningen hebben waterstof gevisualiseerd op het titaan/titaniumhydride-grensvlak met behulp van een transmissie-elektronenmicroscoop. Door een nieuwe techniek te gebruiken, ze slaagden erin om zowel de metaal- als de waterstofatomen in één beeld te visualiseren, waardoor ze verschillende theoretische modellen kunnen testen die de interfacestructuur beschrijven. De resultaten zijn op 31 januari gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

Om de eigenschappen van materialen te begrijpen, het is vaak van vitaal belang om hun structuur met een atomaire resolutie te observeren. Het visualiseren van atomen met behulp van een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) is mogelijk; echter, tot dusver, niemand is erin geslaagd om goede afbeeldingen te maken van zowel zware atomen als de lichtste van allemaal (waterstof) samen. Dat is precies wat RUG-hoogleraar Nanogestructureerde Materialen Bart Kooi en zijn collega's hebben gedaan. Ze gebruikten een nieuwe TEM met mogelijkheden die het mogelijk maakten om afbeeldingen te maken van zowel titanium- als waterstofatomen op het titanium/titaniumhydride-interface.

waterstof atomen

De resulterende foto's laten zien hoe kolommen met waterstofatomen de ruimten tussen de titaniumatomen vullen, vervorming van de kristalstructuur. Ze bezetten de helft van de ruimtes, iets wat eerder was voorspeld. "In 1980, drie verschillende modellen werden voorgesteld voor de positie van waterstof op het grensvlak metaal/metaalhydride, " zegt Kooi. "We hebben nu zelf kunnen zien welk model het juiste was."

Om de metaal/metaalhydride-interface te creëren, Kooi en zijn collega's begonnen met titaniumkristallen. Atoomwaterstof werd vervolgens toegediend en penetreerde het titanium in zeer dunne wiggen, vorming van kleine metaalhydridekristallen. "In deze wiggen, de aantallen waterstof- en titaniumatomen zijn hetzelfde, Kooi legt uit. "Door de penetratie van waterstof ontstaat er een hoge druk in het kristal. De zeer dunne hydrideplaten veroorzaken waterstofbrosheid in metalen, bijvoorbeeld in kernreactoren." Door de druk op het grensvlak kan de waterstof niet ontsnappen.

innovaties

Het was een hele uitdaging om beelden te maken van het zware titanium en de lichte waterstofatomen op het grensvlak. Eerst, het monster was geladen met waterstof. Het moet vervolgens in een specifieke richting langs de interface worden bekeken. Dit werd bereikt door goed uitgelijnde kristallen uit titanium te snijden met behulp van een ionenstraal en de monsters weer dunner te maken - tot een dikte van niet meer dan 50 nm - met een ionenstraal.

De visualisatie van zowel titanium- als waterstofatomen werd mogelijk gemaakt door verschillende innovaties die in de TEM waren opgenomen. Zware atomen kunnen worden gevisualiseerd door de verstrooiing die ze veroorzaken van de elektronen in de microscoopbundel. Verstrooide elektronen worden bij voorkeur gedetecteerd met behulp van hoge-hoekdetectoren. "Waterstof is te licht om deze verstrooiing te veroorzaken, dus voor deze atomen, we moeten vertrouwen op het construeren van het beeld vanuit lage-hoekverstrooiing, die elektronengolven omvat." Echter, het materiaal veroorzaakt interferentie van deze golven, die tot dusver de identificatie van waterstofatomen bijna onmogelijk heeft gemaakt.

Computersimulaties

De golven worden gedetecteerd door een low-angle bright-field detector. De nieuwe microscoop heeft een cirkelvormige heldervelddetector die in vier segmenten is verdeeld. Door verschillen te analyseren in de golffronten die zijn gedetecteerd in tegenovergestelde segmenten en te kijken naar de veranderingen die optreden wanneer de aftaststraal het materiaal kruist, het is mogelijk om de interferenties uit te filteren en de zeer lichte waterstofatomen te visualiseren.

“De eerste vereiste is om een ​​microscoop te hebben die kan scannen met een elektronenbundel die kleiner is dan de afstand tussen de atomen. Het is vervolgens de combinatie van de gesegmenteerde heldervelddetector en de analytische software die visualisatie mogelijk maakt, " legt Kooi uit, die nauw samenwerkte met wetenschappers van de fabrikant van de microscoop, Thermo Fisher Wetenschappelijk, twee van hen zijn co-auteurs op het papier. De groep van Kooi heeft verschillende ruisfilters aan de software toegevoegd en getest. Ze voerden ook uitgebreide computersimulaties uit, waarmee ze de experimentele beelden vergeleken.

Nanomaterialen

De studie toont de interactie tussen de waterstof en het metaal, dat is nuttige kennis voor de studie van materialen die waterstof kunnen opslaan. "Metaalhydriden kunnen meer waterstof per volume opslaan dan vloeibare waterstof." Verder, de technieken die worden gebruikt om de waterstof zichtbaar te maken, kunnen ook worden toegepast op andere lichtatomen, zoals zuurstof, stikstof of boor, die in veel nanomaterialen belangrijk zijn. "Lichte atomen naast zware kunnen zien, opent allerlei mogelijkheden."