Une équipe de chercheurs a mis au point une méthode simple et économique pour visualiser l’état atomique de l’hydrogène, ouvrant la voie à de nouvelles avancées dans le domaine de l’énergie propre. Cette technique pourrait nous permettre d’améliorer notre compréhension de l’hydrogène et d’accélérer le développement de matériaux fonctionnels pour une société basée sur l’énergie de l’hydrogène.
Une équipe de chercheurs a mis au point une méthode simple et économique pour visualiser l’état atomique de l’hydrogène. Les détails de cette découverte ont été publiés dans la revue Acta Materialia.
L’hydrogène, qui ne produit pas de dioxyde de carbone, est depuis longtemps présenté comme une source d’énergie propre. Pour faire évoluer notre société vers une société basée sur l’énergie de l’hydrogène, il reste nécessaire de surmonter certains problèmes techniques importants. Il faut notamment développer des matériaux structurels et fonctionnels capables de produire, de stocker, de transporter et de conserver l’hydrogène.
Comprendre le comportement de l’hydrogène
Pour développer des matériaux avancés pour les applications liées à l’hydrogène, il est essentiel de comprendre comment l’hydrogène se comporte dans les alliages. La technologie actuelle demeure par contre insuffisante dans ce domaine.
La détection de l’hydrogène à l’état atomique – l’atome le plus petit de l’univers – avec des rayons X ou des lasers est difficile en raison de ses caractéristiques uniques. Les chercheurs se concentrent actuellement sur l’amélioration des techniques d’analyse et de visualisation qui peuvent intégrer simultanément une haute résolution spatiale et temporelle.
Une nouvelle approche
Hiroshi Kakinuma, professeur assistant à l’Université de Tohoku, et ses co-auteurs ont développé une nouvelle technique de visualisation utilisant un microscope optique et une couche de polyaniline.
« Lorsque la couleur de la couche de polyaniline réagit avec l’hydrogène à l’état atomique dans les métaux, elle change de couleur, ce qui nous permet d’analyser le flux d’atomes d’hydrogène en fonction de la distribution des couleurs de la couche de polyaniline », explique Hiroshi Kakinuma.
« De plus, les microscopes optiques peuvent observer la vue à l’échelle du sub-millimètre avec une résolution spatiale à l’échelle du micro en temps réel, capturant ainsi le comportement de l’hydrogène avec une résolution spatiale et temporelle sans précédent. »
Applications plus larges
Grâce à cette méthode, les chercheurs ont réussi à filmer le flux d’atomes d’hydrogène dans du nickel pur (Ni). La couleur de la polyaniline est passée du violet au blanc lorsqu’elle a réagi avec les atomes d’hydrogène dans un métal. La visualisation in situ a révélé que les atomes d’hydrogène dans le Ni pur diffusaient de préférence à travers les limites de grains dans les atomes de Ni désordonnés.
De plus, le groupe a découvert que la diffusion de l’hydrogène dépendait de la structure géométrique des limites de grains : le flux d’hydrogène augmentait aux limites de grains avec de grands espaces géométriques. Ces résultats ont clarifié expérimentalement la relation entre la structure à l’échelle atomique du Ni pur et le comportement de diffusion de l’hydrogène.
Cette approche a également des applications plus larges. Elle peut être appliquée à d’autres métaux et alliages, comme les aciers et les alliages d’aluminium, et facilite grandement l’élucidation des interactions hydrogène-matériau à l’échelle microscopique, qui pourraient être davantage étudiées par des simulations.
En synthèse
« Comprendre les comportements de l’hydrogène liés à la structure à l’échelle atomique des alliages permettra une conception efficace des alliages, ce qui accélérera considérablement le développement de matériaux hautement fonctionnels et nous rapprochera d’une société basée sur l’énergie de l’hydrogène », ajoute Hiroshi Kakinuma.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que l’hydrogène à l’état atomique ?
L’hydrogène à l’état atomique est l’atome le plus petit de l’univers. Il est difficile à détecter avec des rayons X ou des lasers en raison de ses caractéristiques uniques.
Qu’est-ce que la polyaniline ?
La polyaniline est un polymère conducteur qui change de couleur lorsqu’elle réagit avec l’hydrogène à l’état atomique dans les métaux.
Qu’est-ce que la diffusion de l’hydrogène ?
La diffusion de l’hydrogène est le processus par lequel les atomes d’hydrogène se déplacent à travers les matériaux, comme les métaux et les alliages.
Quels sont les avantages de cette nouvelle méthode ?
Cette nouvelle méthode permet de visualiser le comportement de l’hydrogène à une résolution spatiale et temporelle sans précédent, ce qui pourrait accélérer le développement de matériaux fonctionnels pour une société basée sur l’énergie de l’hydrogène.
Quelles sont les applications potentielles de cette méthode ?
Cette méthode peut être appliquée à d’autres métaux et alliages, tels que les aciers et les alliages d’aluminium, et pourrait faciliter l’élucidation des interactions hydrogène-matériau à l’échelle microscopique.
Références
Article : « In situ visualization of misorientation-dependent hydrogen diffusion at grain boundaries of pure polycrystalline Ni using a hydrogen video imaging system » – DOI: 10.1016/j.actamat.2023.119536
