Написано AZoNano 3 февраля 2020 1919 1919

Физики из Университета Гронингена в настоящее время получают изображения водорода на границе раздела титан / гидрид титана с помощью просвечивающего электронного микроскопа.

Они успешно визуализировали атомы металла и водорода на одном изображении, используя новый метод. Они смогли протестировать различные теоретические модели, описывающие структуру интерфейса. Результаты исследования были опубликованы в 31 ^{выпуске} журнала Science Advances .

Визуализация структуры материалов с атомным разрешением, как правило, имеет решающее значение для понимания их свойств. Хотя для визуализации атомов можно использовать просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ), до сих пор исследователи не смогли создать точные изображения тяжелых атомов и атомов водорода, самого легкого из всех вместе взятых.

Барт Коой, профессор наноструктурных материалов в Университете Гронингена, и его команда уже достигли этого. Был использован новый ПЭМ с возможностями, позволяющими генерировать изображения атомов водорода и титана на границе раздела титан / гидрид титана.

Атомы водорода

Последующие изображения иллюстрируют, что атомы водорода занимают пространства между атомами титана, тем самым деформируя кристаллическую структуру. В соответствии с предыдущими прогнозами, атомы водорода заполняют половину пространства.

В 1980-х годах были предложены три различные модели для определения положения водорода на границе раздела металл / гидрид металла. Теперь мы смогли сами убедиться, какая модель была правильной .

Барт Коой, профессор наноструктурных материалов, Университет Гронингена

Коой и его команда создали интерфейс металл / гидрид металла, начав с кристаллов титана. Затем вводили атомарный водород, который проникал в титан очень тонкими клиньями, образуя мельчайшие кристаллы гидрида металла.

В этих клиньях число атомов водорода и титана одинаково. Проникновение водорода создает высокое давление внутри кристалла. Очень тонкие гидридные пластины вызывают водородное охрупчивание в металлах, например внутри ядерных реакторов .

Барт Коой, профессор наноструктурных материалов, Университет Гронингена

Выход атомов водорода предотвращается давлением на границе раздела.

Инновации

Было очень трудно генерировать изображения легких атомов водорода на границе раздела и тяжелого титана. Первоначально водород был загружен в образец. Затем необходимо просмотреть его в определенной ориентации вдоль интерфейса. Исследователи поняли это, используя ионный луч для резки точно выровненных кристаллов из титана и делая образцы более тонкими – до толщины, не превышающей 50 нм, – снова с помощью ионного луча.

Ряд новых функций, добавленных в ПЭМ, позволил визуализировать атомы титана и водорода. Визуализация тяжелых атомов может быть выполнена с помощью рассеяния электронов, которые они производят в пучке микроскопа. Детекторы под высоким углом идеально подходят для обнаружения рассеянных электронов.

« Водород слишком легкий, чтобы вызвать это рассеяние, поэтому для этих атомов мы должны полагаться на построение изображения из малоуглового рассеяния, которое включает в себя электронные волны ». Но материал вызывает интерференцию этих волны, из-за которых до настоящего времени было практически невозможно идентифицировать атомы водорода.

Компьютерное моделирование

Для обнаружения волн используется малоугловой детектор яркого поля. Новый микроскоп включает в себя круговой детектор яркого поля, разделенный на четыре сегмента. Помехи могут быть отфильтрованы, и очень легкие атомы водорода могут быть визуализированы путем изучения изменений волновых фронтов, обнаруженных в противоположных сегментах, и путем анализа различий, которые возникают, когда сканирующий луч пересекает материал.

Первым требованием является наличие микроскопа, который может сканировать электронным лучом, который меньше расстояния между атомами. Впоследствии комбинация детектора с сегментированным светлым полем и аналитического программного обеспечения делает возможной визуализацию .

Барт Коой, профессор наноструктурных материалов, Университет Гронингена

Коой тесно сотрудничал с исследователями из Thermo Fisher Scientific, производителя микроскопа. Двое из исследователей являются соавторами статьи.

Коой и его коллеги добавили в фильтр различные шумовые фильтры. Эти фильтры были затем проверены. Было также выполнено широкомасштабное компьютерное моделирование, и экспериментальные изображения были сопоставлены с этими моделированиями.

наноматериалы

Исследование демонстрирует взаимодействие между металлом и водородом, что является жизненно важным для изучения материалов, которые могут хранить водород. « Гидриды металлов могут хранить больше водорода на единицу объема, чем жидкий водород ».

Кроме того, также можно применять методы, используемые для изображения водорода на других легких атомах, таких как азот, кислород или бор, которые имеют решающее значение в различных наноматериалах. « Возможность видеть легкие атомы рядом с тяжелыми открывает все возможности ».

Источник: https://www.rug.nl/?lang=en