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我科学家首次建立金属中纳米孔洞俘获氢定量预测模型

www.spermakosong.com2019-07-30
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  据中国科学院固体物理研究所网站7月16日消息,中固体物理研究所固体物理研究所研究小组吴学邦与麦吉尔大学宋军合作,在金属氢行为研究方面取得重要进展。首次建立了体心立方金属中纳米孔的氢捕获和聚集发泡的定量预测模型。相关研究为理解氢致损伤和设计新的氢致损伤诱导材料提供了可靠的理论基础和工具。该研究发表于《自然材料》(NatureMaterials,DOI: 10.1038s-019-0422-4)的“预测模型中的氢气转运和生物纳米蛋白”,并且侯杰和孔香山是共同的第一作者。

在纳米孔的内壁(左)和相应的五个能级(右)上划分五种类型的氢吸附点。红色球体是缺失的金属原子,黑色的盒子是它的Wigner-Sai细胞,黄色和绿色区域是氢运动的轨迹云。

氢是宇宙中最丰富的元素,也是腐蚀的典型产物,因此它几乎总是存在于各种服务环境中。同时。氢是元素周期表中最小的元素,很容易钻入金属材料的内部,造成材料损坏。例如,在磁约束核聚变反应堆的核心,燃料氢同位素对钨金属装甲具有高渗透性,可保护其他组分,与中子辐照产生的纳米孔结合,从而形成氢气泡并最终在材料上产生裂缝。结构和服务性能会导致致命的损坏并损害融合装置的安全性。

1)实验中难以区分小半径的氢原子,但计算模拟的时空尺度有限,难以处理复杂的结构,难以直接比较实验。 2)纳米孔的内壁不光滑,原子排列非常复杂。它为内壁氢吸附的研究带来了挑战; 3)多个氢相互作用,进一步增加了问题的复杂性。

纳米孔中氢的分布示意图,白色和蓝色球分别代表氢和金属原子。其中,内壁上特定位置处的氢的吸附能级是内壁上氢的表面密度,并且是核中氢的体积密度。

为了克服上述问题,研究人员利用基于密度泛函理论的模拟方法,在原子尺度上获得氢与纳米孔之间准确的相互作用数据,并结合多尺度模拟方法进行宏观尺度模拟,从而有实验结果。比较验证。鉴于氢在非光滑纳米孔内壁上的?轿侍猓且蕴逍牧⒎浇鹗粑傥Mü治銮獾墓旒#⑾智庾苁潜晃皆诘ジ鲈又械哪承┨囟ㄎ恢谩8莶淮嬖谙嗔诮鹗粼樱琖igner-Seitz细胞用于将这些位置分为五类吸附位点,这五个吸附位点对应于氢的五个连续吸附水平。 1)。因此,复杂孔内壁上氢的吸附规律可归纳为五种吸附位点和五种相应的吸附水平,从而准确描述了亚光纳米孔内壁上氢的吸附特性。为了研究内壁上多个氢之间的相互作用,研究人员分析了成千上万种不同情况下的氢 - 氢相互作用。发现吸附的氢原子是互斥的,它们的排斥能量与原子之间距离的-5次方(即氢的面密度的2.5次方)成比例。随着吸附的氢原子数增加,内壁上氢原子的分布越来越近,排斥力越来越大,导致部分氢逐渐挤出到内壁中,从而沉淀为孔隙核心中的氢分子。还发现这些氢分子的性质可以通过高压氢的状态方程来描述,即,能量与孔的核中的氢的体积密度的平方成比例。

基于上述规则,研究人员建立了一个通用的定量模型:内壁上的氢能量取决于吸附点的类型和内壁上氢的表面密度,而核心中氢的能量是由氢的体积密度决定(图2)。模型预测的结构和氢捕获能量与模拟结果高度一致(图3)。基于该模型的预测,他们进一步对钨的氢解吸率进行了多尺度模拟,并通过与氢的解吸实验进行比较验证了模型的正确性(图4)。

本研究解决了长期不能准确描述和预测纳米孔中氢的结构和能量的基本问题,并建立了氢与纳米孔相互作用的定量物理模型,提供了人们期待已久的对氢的理解。诱发金属损伤。关键的看法。这些金属材料不仅可用于聚变反应堆的第一壁装甲,还有助于实现受控核聚变,并将在氢能车辆和航空航天领域发挥至关重要的作用。

该研究工作得到了国家磁共振核聚变能源开发研究项目,国家自然科学基金,中国奖学金委员会和中国科学院青年推广会议的支持。

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