Filmer le flux microscopique d'atomes d'hydrogène dans un métal

Un groupe de chercheurs a créé un moyen simple et peu coûteux de visualiser l'état atomique de l'hydrogène. Les détails de leur percée sont publiés dans la revue Actes matériels.

L’hydrogène ne contient pas de dioxyde de carbone et est depuis longtemps présenté comme une source d’énergie propre. Pourtant, faire évoluer la société vers l’énergie hydrogène nécessite de surmonter certains problèmes techniques importants. Des matériaux structurels et fonctionnels qui produisent, stockent, transportent et préservent l’hydrogène sont nécessaires.

Pour développer des matériaux avancés destinés aux applications liées à l’hydrogène, une compréhension fondamentale du comportement de l’hydrogène dans les alliages est cruciale. Cependant, la technologie actuelle est insuffisante dans ce domaine. Détecter l’hydrogène à l’état atomique – le plus petit atome de l’univers – avec des rayons X ou des lasers est un défi en raison de ses caractéristiques uniques. Les chercheurs se concentrent actuellement sur de meilleures techniques d’analyse et de visualisation pouvant intégrer simultanément des résolutions spatiales et temporelles élevées.

Hiroshi Kakinuma, professeur adjoint à l'Université de Tohoku, et ses co-auteurs ont développé une nouvelle technique de visualisation exploitant un microscope optique et une couche de polyaniline.

“Lorsque la couleur de la couche de polyaniline réagit avec l'état atomique de l'hydrogène dans les métaux, elle change de couleur, ce qui nous permet d'analyser le flux d'atomes d'hydrogène en fonction de la répartition des couleurs de la couche de polyaniline”, explique Kakinuma.

“De plus, les microscopes optiques peuvent observer en temps réel une vue à l'échelle submillimétrique avec une résolution spatiale micrométrique, capturant ainsi le comportement de l'hydrogène avec des résolutions spatiales et temporelles élevées sans précédent.”

Grâce à cette méthode, les chercheurs ont réussi à filmer le flux d’atomes d’hydrogène dans le nickel (Ni) pur. La couleur de la polyaniline passe du violet au blanc lorsqu'elle réagit avec des atomes d'hydrogène dans un métal. La visualisation in situ a révélé que les atomes d'hydrogène dans le Ni pur diffusaient préférentiellement à travers les joints de grains dans les atomes de Ni désordonnés.

En outre, le groupe a découvert que la diffusion de l’hydrogène dépendait de la structure géométrique des joints de grains : le flux d’hydrogène augmentait aux joints de grains présentant de grands espaces géométriques. Ces résultats ont clarifié expérimentalement la relation entre la structure à l'échelle atomique du Ni pur et le comportement de diffusion de l'hydrogène.

L’approche a également des applications plus larges. Il peut être appliqué à d’autres métaux et alliages, tels que les aciers et les alliages d’aluminium, et facilite considérablement l’élucidation des interactions microscopiques hydrogène-matériau, qui pourraient être étudiées plus en détail par le biais de simulations.

“Comprendre les comportements de l'hydrogène liés à la structure des alliages à l'échelle atomique permettra une conception efficace des alliages, ce qui accélérera considérablement le développement de matériaux hautement fonctionnels et nous rapprochera d'une société basée sur l'énergie hydrogène”, ajoute Kakinuma.