Naukowcy opracowali metodę precyzyjnego lokalizowania atomów wodoru w nanofilamach, co stanowi przełom mający istotne implikacje dla nadprzewodnictwa i innych właściwości materiałów.
Ich badania, wykorzystujące analizę reakcji jądrowych i kanałowanie jonów, ujawniły, w jaki sposób wodór i jego izotopy są rozmieszczone w nanowarstwach tytanu, oferując wgląd w dostrajanie właściwości materiału do różnych zastosowań, w tym do magazynowania wodoru i katalizy.
Wpływ wodoru na właściwości materiałów
Wodór, mimo że jest najmniejszy i najlżejszy atomma znaczący wpływ na materiały, infiltrując je i zmieniając ich właściwości, takie jak nadprzewodnictwo i przejścia metal-izolator. Naukowcy z Japonii opracowali obecnie metodę łatwiejszej lokalizacji wodoru w nanofilmach.
W nowym badaniu opublikowanym dzisiaj (14 listopada) w Komunikacja przyrodniczanaukowcy z Instytutu Nauk Przemysłowych Uniwersytetu Tokijskiego wprowadzili technikę dokładnego lokalizowania atomów wodoru w nanofilmach.
Rola wodoru w nanofilmach tytanu
Ze względu na swoje niewielkie rozmiary atomy wodoru mogą migrować w strukturę innych materiałów. Na przykład tytan pochłania wodór, tworząc wodorki tytanu, dzięki czemu jest cenny do zastosowań takich jak magazynowanie wodoru.
Znajomość dokładnej ilości i lokalizacji atomów wodoru jest niezbędna do dostosowania właściwości materiału. Jednak wykrycie wodoru pozostaje trudne, ponieważ powszechnym technikom, takim jak sondy elektronowe i promienie rentgenowskie, często brakuje czułości wymaganej w przypadku tak małych atomów.
Zaawansowane techniki wykrywania wodoru
Naukowcy połączyli dwie techniki — analizę reakcji jądrowych (NRA) i kanałowanie jonowe — w celu wygenerowania dwuwymiarowego mapowania kątowego nanofilmów wodorku tytanu.
„Przyjrzeliśmy się bliżej TiH1,47 nanofilm” – wyjaśnia główny autor badania Takahiro Ozawa. „Zrozumienie nanofilmów jest przydatne, ponieważ wiele zastosowań związanych z wodorem obejmuje reakcje powierzchniowe i podpowierzchniowe. Udało nam się precyzyjnie zlokalizować atomy wodoru i deuteru w nanofilmie.”
Wszystkie atomy deuteru – izotopu wodoru o podwójnej masie – znajdowały się w kryształach tytanu w miejscach zwanych pozycjami czworościennymi. Jednakże 11% obecnych atomów wodoru znajdowało się w miejscach określanych jako oktaedryczne. Obliczenia wykazały, że obecność tej różnorodności w miejscach obniżyła symetrię, co uczyniło sieć bardziej stabilną.
Strojenie właściwości nanofilmu poprzez kontrolę izotopów
Ponieważ atomy deuteru nie zajmowały miejsc oktaedrycznych ze względu na jądrowe efekty kwantowe, kontrolowanie proporcji izotopów wodoru można zastosować w celu dostrojenia stabilności i właściwości nanofilmów w zależności od zamierzonego zastosowania.
„Możliwość rozróżnienia dwóch izotopów w wodorku ujawniła szansę na kontrolę” – mówi Katsuyuki Fukutani, starszy autor. „Będzie to z pewnością miało ważne praktyczne zastosowania w wytwarzaniu określonych zjawisk wywołanych wodorem”.
Oczekuje się, że lepsze poznanie nanofilmów wodorku tytanu przyczyni się również do magazynowania wodoru, stałego elektrolitu i zastosowań w katalizie heterogenicznej w miarę zbliżania się do praktycznych i bezpiecznych ekologicznych rozwiązań na przyszłość.
Odniesienie: „Zależne od izotopów zajęcie miejsca wodoru w epitaksjalnych nanofilmach wodorku tytanu” 14 listopada 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-53838-6
