Hình ảnh 3D thời gian thực đầu tiên về tác động của hydro lên các khuyết tật thép không gỉ mở đường cho một nền kinh tế hydro an toàn hơn
Đại học Oxford
Một ấn tượng nghệ thuật về thí nghiệm: Hình ảnh 3D của hạt thép không gỉ vi mô được nghiên cứu trong nghiên cứu này cho thấy sự tiến triển của các khuyết tật bên trong nó theo thời gian (ban đầu là các đường màu xanh lam, sau đó là các đường màu đỏ). Hạt được nhúng trong một mẫu khối đa tinh thể, như sơ đồ. Bằng cách tập trung một chùm tia X đồng nhất vào hạt này, có thể đo được một mẫu nhiễu xạ tia X đồng nhất, từ đó có thể tái tạo hình dạng của hạt và các khuyết tật bên trong nó. Bằng cách liên tục theo dõi hạt này trong khi hydro được đưa vào, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu cách hydro tương tác với các khuyết tật. Nguồn: David Yang, Felix Hofmann (đồ họa bong bóng lấy từ Free PNG Logos, John D.). Nguồn: David Yang, Felix Hofmann (đồ họa bong bóng lấy từ Free PNG Logos, John D.).
Một nghiên cứu do các nhà nghiên cứu của Đại học Oxford và Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven dẫn đầu đã phát hiện ra cách tiếp xúc với các nguyên tử hydro làm thay đổi cấu trúc bên trong của thép không gỉ một cách linh hoạt. Những phát hiện này cho thấy hydro cho phép các khuyết tật bên trong thép di chuyển theo những cách thông thường không thể xảy ra—điều này có thể dẫn đến hư hỏng bất ngờ.
Khám phá này cung cấp những hiểu biết quan trọng có thể giúp làm cho các hệ thống nhiên liệu hydro an toàn và đáng tin cậy hơn, từ máy bay và lò phản ứng tổng hợp đến đường ống và bể chứa. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Advanced Materials.
Trong một thí nghiệm đầu tiên trên thế giới, nhóm nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật chụp ảnh X-quang tiên tiến để theo dõi cách các khuyết tật nhỏ bên trong thép không gỉ (gọi là sai lệch) phản ứng với sự tiếp xúc với hydro. Điều này rất quan trọng để hiểu cách hydro có thể khiến kim loại yếu đi hoặc hư hỏng, và có thể định hướng việc thiết kế các hợp kim thế hệ tiếp theo cho nền kinh tế hydro đang phát triển.
Tiến sĩ David Yang (Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven), nhà nghiên cứu chính, cho biết: "Hydro có tiềm năng to lớn như một chất mang năng lượng sạch, nhưng nó lại nổi tiếng là làm cho các vật liệu tiếp xúc với nó trở nên giòn hơn. Lần đầu tiên, chúng tôi đã trực tiếp quan sát cách hydro thay đổi cách các khuyết tật trong thép không gỉ hoạt động sâu bên trong kim loại, trong điều kiện thực tế. Kiến thức này rất cần thiết cho việc thiết kế các hợp kim có khả năng phục hồi tốt hơn trong các môi trường khắc nghiệt, bao gồm cả máy bay chạy bằng hydro trong tương lai và các nhà máy nhiệt hạch hạt nhân."
Khi các quốc gia hướng tới việc chuyển đổi sang các hệ thống năng lượng không hóa thạch, hydro được coi là nhiên liệu lý tưởng cho các lĩnh vực khó khử cacbon, chẳng hạn như vận tải biển, hàng không và vận tải hàng hóa hạng nặng. Tuy nhiên, hydro có thể gây ra hiện tượng nứt vỡ bất ngờ trong kim loại (được gọi là giòn hydro), đe dọa tính toàn vẹn của các bình chịu áp suất cao, đường ống và các thành phần quan trọng trong hệ thống năng lượng.
Mặc dù các kỹ sư từ lâu đã biết rằng hydro ảnh hưởng đến hiệu suất của kim loại, nhưng cơ chế chính xác ở quy mô nguyên tử vẫn còn khó nắm bắt, vì hydro rất khó phát hiện.
Nhà nghiên cứu chính, Giáo sư Felix Hofmann (Khoa Khoa học Kỹ thuật, Đại học Oxford), giải thích: "Sử dụng nhiễu xạ tia X kết hợp, một phương pháp không phá hủy, chúng tôi có thể quan sát các sự kiện ở quy mô nguyên tử diễn ra theo thời gian thực bên trong kim loại rắn mà không cần cắt mở mẫu. Việc phân tích dữ liệu này và ghép nối các mảnh ghép của câu đố khoa học này thực sự rất thú vị. Một số kết quả thực sự khiến chúng tôi ngạc nhiên khi cho thấy những hành vi mà chúng tôi không ngờ tới.
Để khám phá những gì hydro làm bên trong vật liệu, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một chùm tia cực sáng tại Advanced Photon Source ở Hoa Kỳ để tập trung tia X vào một hạt thép không gỉ duy nhất, đường kính khoảng 700 nanomet. Sau đó, họ áp dụng một kỹ thuật gọi là Chụp ảnh nhiễu xạ kết hợp Bragg để đo lường sự thay đổi cấu trúc bên trong của hạt này theo thời gian.
Trong phương pháp này, tia X bị tán xạ bởi mạng tinh thể, tạo ra một mẫu giao thoa phức tạp. Mẫu này có thể được tái tạo để làm rõ cấu trúc của hạt, các khuyết tật tinh thể bên trong nó và cách chúng làm biến dạng mạng tinh thể xung quanh chúng.
Bằng cách chụp ảnh hạt thép trong hơn 12 giờ, thí nghiệm đã tiết lộ ba thay đổi quan trọng sau khi hydro được đưa vào:
Các sai lệch trở nên di động bất ngờ. Các đứt gãy bên trong bắt đầu di chuyển và tự định hình lại, ngay cả khi không có thêm ứng suất bên ngoài. Điều này cho thấy hydro hoạt động như một chất bôi trơn ở cấp độ nguyên tử, giúp các khuyết tật di chuyển dễ dàng hơn.
Một chuyển động ngoài mặt phẳng đáng ngạc nhiên của các khuyết tật đã được quan sát thấy. Sự dịch chuyển hướng lên này, được gọi là "leo", là điều bất ngờ và báo hiệu rằng hydro cho phép các nguyên tử sắp xếp lại theo những cách thường không thể xảy ra ở nhiệt độ phòng. Quá trình này được cho là đóng một vai trò quan trọng trong việc làm giảm độ cứng của hợp kim.
Trường biến dạng xung quanh sai lệch giảm đáng kể khi hydro tích tụ. Trường biến dạng là vùng xung quanh một khuyết tật, nơi các nguyên tử bị đẩy hoặc kéo ra khỏi vị trí, cho phép vật liệu thích ứng với khuyết tật. Nghiên cứu này cung cấp phép đo thực nghiệm 3D trực tiếp đầu tiên
Sự chắc chắn về một hiệu ứng đã được lý thuyết hóa từ lâu gọi là che chắn đàn hồi hydro, trong đó hydro làm giảm trường biến dạng khuyết tật, bảo vệ hiệu quả kim loại xung quanh khỏi ứng suất.
Những phát hiện này giúp giải thích tại sao hydro có thể dẫn đến hư hỏng bất ngờ trong kim loại, vì nó cho phép các khuyết tật bên trong di chuyển dễ dàng hơn và theo những cách thông thường không thể thực hiện được.
Theo các nhà nghiên cứu, công trình này cung cấp thông tin trực tiếp về cách mô hình hóa và dự đoán hiệu suất vật liệu trong môi trường hydro, đưa vào các khuôn khổ mô phỏng đa quy mô được sử dụng trong ngành công nghiệp. Nó cũng chỉ ra các chiến lược tiềm năng để chế tạo các hợp kim mới có khả năng chống giòn hydro tốt hơn.
Giáo sư Hofmann nói thêm: "Nghiên cứu này chỉ có thể thực hiện được nhờ sự sẵn có của các chùm tia X cực kỳ sáng và mạch lạc tại các nguồn synchrotron quốc tế. Các kết quả này bổ sung rất nhiều cho thông tin từ kính hiển vi điện tử và mô phỏng. Hiện chúng tôi đang lên kế hoạch cho các thí nghiệm phức tạp hơn nữa để nghiên cứu cách hydro thay đổi các loại khuyết tật khác. Đồng thời, chúng tôi cũng đang phát triển các mô hình để giúp ngành công nghiệp thiết kế các hệ thống nhiên liệu hydro phức tạp."
Nghiên cứu cũng có sự tham gia của các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne (Hoa Kỳ) và Đại học College London.
