“氫”舉“望”洞 科學家建立金屬納米孔洞氫俘獲定量預測模型
■本報記者 丁佳
氫是宇宙中最豐富的元素，也是元素周期表上最小的元素。正因為“個頭小”，氫能夠輕而易舉地鉆進金屬材料的內部，在里面大肆“搞破壞”，導致材料的損傷。
特別是在一些特殊場合，這種“調皮搗蛋”的行為可能會招致非常可怕的后果。比如，在磁約束核聚變反應堆的核心部位，燃料氫同位素極易滲透進保護其他部件的鎢金屬裝甲，與中子輻照產生的納米孔洞結合，形成氫氣泡并產生裂紋，最終對材料的結構和服役性能造成致命損傷，直接危及聚變裝置的安全。
“理解氫與納米孔洞的相互作用是解決這些問題的關鍵所在。”中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所副研究員孔祥山說。
日前，中科院合肥物質研究院固體物理所與加拿大麥吉爾大學的科研人員合作，在金屬中的氫行為研究中取得重要進展，他們首次建立了體心立方金屬中納米孔洞氫俘獲和聚集起泡的定量預測模型。該研究為理解氫致損傷，以及設計新型抗氫致損傷材料提供了可靠的理論基礎和工具。7月15日，相關論文在《自然—材料》上發表。
針對氫在不光滑納米孔洞內壁上吸附問題，研究人員以體心立方金屬鎢為例，通過分析氫的運動軌跡，發現氫總是以單原子形式有次序地吸附在一些特定位置上。
“我們把這些位置歸納成5類吸附點，剛好對應氫的5個吸附能級，這樣就能準確地描述氫的吸附特性了。”論文共同第一作者、中科院合肥物質研究院固體物理所博士生侯捷說。
為考察內壁上多個氫之間的相互影響，研究人員分析了上萬種不同情況下的氫—氫相互作用，發現吸附的氫原子之間還會相互排斥。隨著吸附氫原子數量的增加，內壁上氫原子之間分布越來越緊密，斥力越來越大，導致部分氫逐漸被擠出內壁，從而在孔洞芯部以氫氣分子形式析出。
基于上述規律，研究人員建立了一個普適的定量模型：內壁上氫的能量取決于吸附點的類型以及內壁上氫的面密度，而芯部氫的能量則由氫的體密度決定。
由該模型預測得到的結構和氫俘獲能，與模擬計算結果高度一致。基于該模型的預測，他們進一步開展了多尺度模擬，通過與氫的脫附實驗結果對比驗證了模型的正確性。
現在，面對這個惱人的“搗蛋鬼”，人類總算可以自信一些了。這項研究解決了長期以來無法準確描述和預測氫在納米孔洞中的結構與能量的基本問題，建立了氫與納米孔洞相互作用的定量物理模型，為理解氫致金屬材料損傷提供了尋求已久的關鍵認知。
“未來，我們可以基于這個模型設計新型的抗氫致損傷材料，這些金屬材料會被用在未來聚變堆第一壁裝甲中，助力可控核聚變的實現。”孔祥山認為，這一成果也會在氫能源汽車以及航空航天等領域發揮至關重要的作用。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41563-019-0422-4
《中國科學報》 (2019-07-18 第1版 要聞)
