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(jìn)金屬材料的內(nèi)部，在里面大肆“搞破壞”，導(dǎo)致材料的損傷。

 特別是在一些特殊場合，這種“調(diào)皮搗蛋”的行為可能會招致非?？膳碌暮蠊?。比如，在磁約束核聚變反應(yīng)堆的核心部位，燃料氫同位素極易滲透進(jìn)保護(hù)其他部件的鎢金屬裝甲，與中子輻照產(chǎn)生的納米孔洞結(jié)合，形成氫氣泡并產(chǎn)生裂紋，最終對材料的結(jié)構(gòu)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(guān)鍵所在。”中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)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(zhì)研究院固體物理所與加拿大麥吉爾大學(xué)的科研人員合作，在金屬中的氫行為研究中取得重要進(jìn)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(yù)測模型。該研究為理解氫致?lián)p傷，以及設(shè)計新型抗氫致?lián)p傷材料提供了可靠的理論基礎(chǔ)和工具。7月15日，相關(guān)論文在《自然—材料》上發(fā)表。

 針對氫在不光滑納米孔洞內(nèi)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(fā)現(xiàn)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(yīng)氫的5個吸附能級，這樣就能準(zhǔn)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(zhì)研究院固體物理所博士生侯捷說。

 為考察內(nèi)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(fā)現(xiàn)吸附的氫原子之間還會相互排斥。隨著吸附氫原子數(shù)量的增加，內(nèi)壁上氫原子之間分布越來越緊密，斥力越來越大，導(dǎo)致部分氫逐漸被擠出內(nèi)壁，從而在孔洞芯部以氫氣分子形式析出。

 基于上述規(guī)律，研究人員建立了一個普適的定量模型：內(nèi)壁上氫的能量取決于吸附點的類型以及內(nèi)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(yù)測得到的結(jié)構(gòu)和氫俘獲能，與模擬計算結(jié)果高度一致?；谠撃Ｐ偷念A(yù)測，他們進(jìn)一步開展了多尺度模擬，通過與氫的脫附實驗結(jié)果對比驗證了模型的正確性。

 現(xiàn)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(zhǔn)確描述和預(yù)測氫在納米孔洞中的結(jié)構(gòu)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(guān)鍵認(rèn)知。

“未來，我們可以基于這個模型設(shè)計新型的抗氫致?lián)p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(xiàn)?！笨紫樯秸J(rèn)為，這一成果也會在氫能源汽車以及航空航天等領(lǐng)域發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

 相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41563-019-0422-4

《中國科學(xué)報》 (2019-07-18 第1版 要聞)