Tüm atomların en küçüğü olan hidrojen; katı bir metalin kristal yapısına nüfuz edebilir. Bu sayede de hidrojen yakıtı metalin içinde güvenli bir şekilde saklanabilir. Ancak hidrojen alımını kabın metal duvarlarını daha kırılgan hale getirir. Böylece hidrojenin bu durumu; nükleer santrallerdeki basınçlı kaplar gibi yapılar için kötü bir haberdir. Ancak bu gevrekleşme sürecinin* gözlemlenmesi zordur, çünkü hidrojen atomları katı metalin içinde bile çok hızlı yayılırlar.
MIT‘deki araştırmacıları, bu problemi çözmek için hidrojen sızımı sırasında metal bir yüzeyin gözlemlenmesini sağlayan, yeni bir teknik geliştirdiler.
Çalışmaya katılmayan Sandia National Laboratories Teknik Ekibi’nden Chris San Marchi: “Kesinlikle harika bir araç… Bu yeni görüntüleme platformu, malzemelerin içindeki hidrojenin taşınması, hapsolması ve potansiyel olarak kristalografi ve mikroyapısal bileşenlerin gevrekleşme süreci üzerindeki rolü hakkında bazı ilginç soruları ele alma potansiyeline sahip.”
Hidrojen yakıtı, küresel iklim değişikliğini sınırlamak için potansiyel olarak önemli bir araç olarak kabul edilir. Çünkü sonunda otomobillerde ve uçaklarda kullanılabilecek yüksek enerjili bir yakıttır. Bununla birlikte, pahalı ve ağır yüksek basınçlı tankları içermesi gerekir. Yakıtın; metalin kristal kafesinde saklanması, daha ucuz, daha hafif ve daha güvenli olabilir. Ancak önce hidrojenin metale nasıl girip, nasıl ayrıldığına dair süreç, daha iyi anlaşılmalıdır.
MIT Metalurji Profesörü Cem Tasan: “Hidrojen metalde nispeten yüksek oranlarda yayılabilir, çünkü çok küçüktür. Herhangi bir metali hidrojen açısından zengin bir ortama koyarsanız, hidrojeni alır ve bu hidrojen gevrekleşmesine neden olur. Bunun nedeni, hidrojen atomlarının metal kristal kafesin bazı kısımlarında, ayrılma eğiliminde olmaları ve kimyasal bağlarını zayıflatmalarıdır.”
Gevrekleşme sürecini olduğu gibi gözlemlemenin yeni yolu; gevrekleşmenin nasıl tetiklendiğini ortaya çıkarmaya yardımcı olabilir. Gevşemeye karşı daha az savunmasız olan alaşımları tasarlayarak, süreci yavaşlatmanın veya önlemenin önünü açabilir.
Hidrojen yükleme işlemini incelemek için araştırmacılar tarafından kullanılan deneysel Tarama Elektron Mikroskobu kurulumu (SEM). /Massachusetts Teknoloji Enstitüsü
San Marchi: “Bu yöntem, diğer yöntemlerle ve simülasyonlarla koordinasyonda önemli bir rol oynayabilecektir. Ayrıca hidrojen gevrekleşmesine yol açan hidrojen-hata etkileşimlerini aydınlatmaktadır. Böylece; aşırı hidrojen ortamlarında performanslarını artırmak için tasarlanabilecek.”
Yeni izleme sürecinin anahtarı olan metal yüzeyleri bir hidrojen ortamına maruz bırakmanın bir yolu da, bir Taramalı Elektron Mikroskobu’nu (SEM) vakum odasının içinde geliştirmekti. SEM çalışması için bir vakum gerektiğinden; hidrojen gazı cihazın içindeki metale yüklenemez ve önceden doldurulursa, gaz; hızla dağılır.
Bunun yerine araştırmacılar; ince bir metal levhanın alt kısmına maruz kaldığı, iyi yalıtılmış bir odada tutulabilen bir sıvı elektrolit kullandılar. Metalin tepesi SEM elektron ışınına maruz bırakılır, bu metalin yapısını problayabilir ve içine geçen hidrojen atomlarının etkilerini gözlemleyebilir.
Tasan, elektrolitten elde edilen hidrojenin, metalin “sonuna kadar yayıldığını”, etkilerinin görülebildiğini söylüyor. Bu içerilen sistemin temel tasarımı; diğer özellikleri tespit etmek için diğer vakumlu cihaz türlerinde de kullanılabilir.
Elektron mikroskobu görüntüleri, bir titanyum alaşımının kristal yapısı içinde hidrojen birikimini göstermektedir. Görüntüler, mavi renkle gösterilen hidrojenin, tercihen metal içindeki kristal taneleri arasındaki arayüzlere göç ettiğini ortaya koymaktadır.
Araştırmacılar, üç farklı metalin ilk testlerinde (iki farklı paslanmaz çelik ve bir titanyum alaşımı); bazı yeni bulgulara rastladılar. Örneğin, en yaygın kullanılan titanyum alaşımında, oda sıcaklığında ve gerçek zamanlı olarak bir nano ölçekli hidrit fazının oluşumunu ve büyümesini gözlemlediler.
Sızdırmaz bir sistem oluşturmak, işlemin çalışması için çok önemliydi. Tasan, metali hidrojenle doldurmak için gereken elektrolitin “mikroskop için biraz tehlikeli olduğunu” söylüyor. “Numune başarısız olursa ve elektrolit mikroskop odasına salınırsa,” cihazın her kuyruğuna ve kafasına nüfuz edebilir ve temizlenmesi zor olabilir.
Çalışmaya katılmayan Japonya Kyushu Üniversitesi Kimya Mühendisliği Profesörü Kaneaki Tsuzaki: “Hidrojenin katodik hareketini nasıl etkilediğini çözmek için kilit bir teknik vardır. Hidrojen katodik asit; asit çözeltisi çok zor olan şarj işlemi sırasında bir SEM odasında dolaştırılır. Bu işlem makine için en tehlikeli ölçümlerden biridir. Dolaşım derzlerinde sızıntı olursa, çok maliyetli olan Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), asit çözeltisi nedeniyle bozulur, çok dikkatli bir tasarım ve bu ölçüm ekipmanını yapmak için çok yetenekli kurulum gereklidir. Ancak işlem bir kez doğru gerçekleştirildiğinde, bu yöntemin çıktıları süper olacak… SEM sayesinde çalışma; çok yüksek bir uzamsal çözünürlüğe sahip. Dolayısıyla ekip; iyi kontrol edilen bir hidrojen atmosferi altında, yerinde gözlemler yapmıştır. Bu yeni yöntemle; yeni hidrojen destekli dislokasyon hareketi bulguları elde edilebilir, hidrojene bağlı mekanik bozunma mekanizması çözülebilir ve yeni hidrojene dirençli materyaller geliştirilebilecektir.”
*Hidrojen Gevrekleşmesi: Gevrekleşme bir malzemenin esneklik kaybıdır, onu kırılgan hale getirir. Çeşitli malzemelerin farklı gevrekleşme mekanizmaları vardır. Hidrojen gevrekleşmesi, hidrojen emiliminin bazı metaller ve alaşımlar üzerindeki etkisidir.
Comments