05.02.2020 - Rijksuniversiteit Groningen

Primera vista del hidrógeno en la interfase metal-metal-hidruro

Físicos de la Universidad de Groningen han visualizado el hidrógeno en la interfase titanio/hidruro de titanio utilizando un microscopio electrónico de transmisión. Utilizando una nueva técnica, lograron visualizar tanto los átomos de metal como de hidrógeno en una sola imagen, lo que les permitió probar diferentes modelos teóricos que describen la estructura de la interfaz. Los resultados se publicaron en Science Advances.

Para entender las propiedades de los materiales, a menudo es vital observar su estructura con una resolución atómica. La visualización de los átomos mediante un microscopio electrónico de transmisión (TEM) es posible; sin embargo, hasta ahora nadie ha logrado producir imágenes adecuadas de los dos átomos pesados y del más ligero de todos (el hidrógeno) juntos. Esto es exactamente lo que el profesor de materiales nanoestructurados de la Universidad de Groningen Bart Kooi y sus colegas han hecho. Utilizaron un nuevo TEM con capacidades que permitieron producir imágenes de átomos de titanio e hidrógeno en la interfaz de titanio e hidruro de titanio.

Átomos de hidrógeno

Las imágenes resultantes muestran cómo las columnas de átomos de hidrógeno llenan los espacios entre los átomos de titanio, distorsionando la estructura del cristal. Ocupan la mitad de los espacios, algo que se predijo anteriormente. En los años 80, se propusieron tres modelos diferentes para la posición del hidrógeno en la interfase metal/metálico,' dice Kooi. "Ahora pudimos ver por nosotros mismos qué modelo era el correcto.

Para crear la interfaz de metal e hidruro metálico, Kooi y sus colegas empezaron con cristales de titanio. El hidrógeno atómico fue entonces infundido y penetró en el titanio en cuñas muy finas, formando diminutos cristales de hidruro metálico. En estas cuñas, el número de átomos de hidrógeno y titanio es el mismo,' explica Kooi. La penetración del hidrógeno crea una alta presión dentro del cristal. Las finísimas placas de hidruro causan la fragilización del hidrógeno en los metales, por ejemplo, en el interior de los reactores nucleares". La presión en la interfaz impide que el hidrógeno se escape.

Innovaciones

Producir imágenes de los átomos pesados de titanio y los átomos ligeros de hidrógeno en la interfaz fue todo un reto. Primero, la muestra fue cargada con hidrógeno. Posteriormente debe ser visto en una orientación específica a lo largo de la interfaz. Esto se logró cortando cristales de titanio correctamente alineados con un haz de iones y haciendo las muestras más delgadas - a un grosor no superior a 50 nm - de nuevo utilizando un haz de iones.

La visualización de los átomos de titanio y de hidrógeno fue posible gracias a varias innovaciones que se incluyeron en la TEM. Los átomos pesados pueden ser visualizados por la dispersión que causan de los electrones en el haz del microscopio. Los electrones dispersos se detectan preferentemente con detectores de alto ángulo. El hidrógeno es demasiado ligero para causar esta dispersión, así que para estos átomos, tenemos que confiar en la construcción de la imagen de la dispersión de ángulo bajo, que incluye ondas de electrones. Sin embargo, el material causa la interferencia de estas ondas, lo que ha hecho hasta ahora casi imposible la identificación de los átomos de hidrógeno.

Simulaciones por ordenador

Las ondas son detectadas por un detector de campo brillante de ángulo bajo. El nuevo microscopio tiene un detector de campo brillante circular que se divide en cuatro segmentos. Analizando las diferencias en los frentes de onda detectados en segmentos opuestos y observando los cambios que se producen cuando el haz de exploración cruza el material, es posible filtrar las interferencias y visualizar los átomos de hidrógeno muy ligeros.

"El primer requisito es tener un microscopio que pueda escanear con un rayo de electrones que sea más pequeño que la distancia entre los átomos. Es posteriormente la combinación del detector de campo brillante segmentado y el software analítico lo que hace posible la visualización", explica Kooi, que trabajó en estrecha colaboración con los científicos del fabricante del microscopio, Thermo Fisher Scientific, dos de los cuales son coautores del documento. El grupo de Kooi añadió varios filtros de ruido al software y los probó. También realizaron extensas simulaciones por computadora, contra las cuales compararon las imágenes experimentales.

Nanomateriales

El estudio muestra la interacción entre el hidrógeno y el metal, lo que constituye un conocimiento útil para el estudio de los materiales capaces de almacenar hidrógeno. Los hidruros metálicos pueden almacenar más hidrógeno por volumen que el hidrógeno líquido. Además, las técnicas utilizadas para visualizar el hidrógeno también podrían aplicarse a otros átomos ligeros, como el oxígeno, el nitrógeno o el boro, que son importantes en muchos nanomateriales. Ser capaz de ver los átomos ligeros junto a los pesados abre todo tipo de oportunidades.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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