科学家建立金属纳米孔洞氢俘获定量预测模型

氢是宇宙中最丰富的元素，也是元素周期表中最小的元素。因为它的“小尺寸”，氢很容易渗透到金属材料的内部，并在内部造成严重破坏，造成材料损坏。

特别是在一些特殊的场合，这种“淘气”的行为可能会导致非常可怕的后果。例如，在磁约束核聚变反应堆的堆芯中，燃料的氢同位素很容易渗透到保护其他部件的钨金属装甲中，并与中子辐照产生的纳米孔结合，形成氢泡并产生裂纹，最终对材料的结构和使用性能造成致命损害，并直接危及聚变装置的安全。

"理解氢和纳米孔之间的相互作用是解决这些问题的关键."中国科学院合肥材料科学研究所固体物理研究所副研究员孔象山说。

最近，中国科学院合肥材料研究所固体物理研究所与加拿大麦吉尔大学的研究人员合作，在金属中氢行为的研究方面取得了重要进展。他们首次建立了体心立方金属纳米孔中氢捕获和聚集气泡的定量预测模型。该研究为理解氢致损伤和设计抗氢致损伤的新材料提供了可靠的理论基础和工具。7月15日，相关论文发表在《自然材料》上。

为了解决氢在非光滑纳米孔内壁的吸附问题，研究者以体心立方钨为例，分析了氢的运动轨迹。发现氢总是以单原子的形式依次吸附在某些特定的位置上。

“我们将这些位置划分为五种类型的吸附点，它们对应于氢的五种吸附能级，因此可以准确地描述氢的吸附特性。”该论文的合著者、中国科学院合肥物理研究所博士生侯杰说。

为了研究内壁上多个氢原子之间的相互作用，研究人员分析了数万种不同条件下的氢-氢相互作用，发现吸附的氢原子会相互排斥。随着吸附氢原子数量的增加，氢原子在内壁上的分布变得越来越紧密，排斥力变得越来越大，导致部分氢逐渐被挤出内壁，从而在孔的核心以氢分子的形式被分离出来。

基于上述规则，研究人员建立了一个通用的定量模型:氢在内壁上的能量取决于吸附点的类型和氢在内壁上的面密度，而氢在堆芯中的能量由氢的堆密度决定。

模型预测的结构和氢捕获能与模拟结果高度一致。在模型预测的基础上，进一步进行了多尺度模拟，并通过与氢气解吸实验结果的对比，验证了模型的正确性。

现在，面对这个烦人的“麻烦制造者”，人类终于可以感到更加自信了。本研究解决了长期以来无法准确描述和预测纳米孔中氢的结构和能量的基本问题，建立了氢与纳米孔相互作用的定量物理模型，为理解氢致金属材料损伤提供了一个长期寻求的关键认知。

“将来，我们可以根据这个模型设计新的抗氢致损伤材料。这些金属材料将用于未来聚变反应堆的第一层壁装甲，以帮助实现受控核聚变。”孔象山相信，这一成就也将在氢能汽车和航天领域发挥至关重要的作用。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41563-019-0422-4