據(jù)中國科學(xué)院固體物理研究所網(wǎng)站7月16日消息，中科院固體物理研究所劉長松課題組吳學(xué)邦與麥吉爾大學(xué)宋俊合作，在金屬中的氫行為研究中取得重要進(jìn)展，首次建立了體心立方金屬中納米孔洞氫俘獲和聚集起泡的定量預(yù)測模型。相關(guān)研究為理解氫致?lián)p傷，以及設(shè)計新型抗氫致?lián)p傷材料提供了可靠的理論基礎(chǔ)和工具。該研究以“Predictive Model of Hydrogen Trapping and Bubbling in Nanovoids in BCC Metals”為題長文形式發(fā)表在《自然·材料》(Nature Materials, DOI: 10.1038/s41563-019-0422-4)上，侯捷和孔祥山為共同第一作者。

納米孔洞內(nèi)壁上氫的五類吸附點的劃分（左）及對應(yīng)的五個能級（右）。紅球為缺失的金屬原子，黑框為其魏格納-賽茲元胞，黃色和綠色區(qū)域為氫運動的軌跡云。

氫是宇宙中最豐富的元素，也是腐蝕的典型產(chǎn)物，因此幾乎總是存在于各種各樣的服役環(huán)境中。同時，氫又是元素周期表上最小的元素，極易鉆進(jìn)金屬材料的內(nèi)部，導(dǎo)致材料損傷。例如，在磁約束核聚變反應(yīng)堆的核心部位，燃料氫同位素極易滲透進(jìn)保護(hù)其他部件的鎢金屬裝甲，與中子輻照產(chǎn)生的納米孔洞結(jié)合，從而形成氫氣泡并產(chǎn)生裂紋，最終對材料的結(jié)構(gòu)和服役性能造成致命損傷，危及聚變裝置的安全。

顯然，理解氫與納米孔洞的相互作用是解決以上問題的關(guān)鍵。然而，人們對氫在納米孔洞中的一些基本性質(zhì)，例如氫在孔洞內(nèi)結(jié)構(gòu)分布特征、能量學(xué)等基本問題，卻依然未能給出答案，致使無法回答諸如氫在納米孔洞中如何分布、孔洞對氫的吸引有多強、能容納多少氫、又會帶來多大的氫氣壓等問題。這其中主要存在著以下幾個難題：1) 實驗上難以分辨半徑較小的氫原子，而計算模擬的空間和時間尺度有限，難以處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)，也難以直接對比實驗；2) 納米孔洞的內(nèi)壁并不光滑，其原子排布十分復(fù)雜，為氫在內(nèi)壁上吸附的研究帶來挑戰(zhàn)；3) 多個氫之間會互相影響，進(jìn)一步增加了問題的復(fù)雜度。

氫在納米孔洞內(nèi)的分布示意圖，白色和藍(lán)色球分別代表氫和金屬原子。其中為內(nèi)壁特定位置氫的吸附能級，為內(nèi)壁上氫的面密度，為芯部氫的體密度。

為攻克上述難題，研究人員采用基于密度泛函理論的模擬方法，在原子尺度上獲得了精確的氫與納米孔洞相互作用數(shù)據(jù)，并結(jié)合多尺度模擬方法，進(jìn)行宏觀尺度模擬，從而與實驗結(jié)果進(jìn)行對比驗證。針對氫在不光滑納米孔洞內(nèi)壁上吸附問題，他們以體心立方金屬鎢為例，通過分析氫的運動軌跡，發(fā)現(xiàn)氫總是以單原子形式有次序地吸附在一些特定位置上。根據(jù)近鄰金屬原子的缺失情況，應(yīng)用魏格納-賽茲(Wigner-Seitz)元胞將這些位置歸納為五類吸附點，而這五類吸附點正好對應(yīng)氫的五個依次吸附能級(圖1)。于是，氫在復(fù)雜的孔洞內(nèi)壁吸附規(guī)律可概括為五類吸附位點及相應(yīng)的五個吸附能級，從而準(zhǔn)確描述氫在不光滑納米孔洞內(nèi)壁上的吸附特性。為考察內(nèi)壁上多個氫之間的相互影響，研究人員分析了上萬種不同情況下的氫-氫相互作用，發(fā)現(xiàn)吸附的氫原子之間相互排斥，其排斥能正比于原子間距離的-5次方(即氫的面密度的2.5次方)。隨著吸附氫原子數(shù)量的增加，內(nèi)壁上氫原子之間分布越來越緊密，斥力越來越大，導(dǎo)致部分氫逐漸被擠出內(nèi)壁，從而在孔洞芯部以氫氣分子形式析出。并發(fā)現(xiàn)這些氫氣分子的性質(zhì)可用高壓氫的狀態(tài)方程描述，即其能量正比于孔洞芯部氫的體密度的平方。

基于上述規(guī)律，研究人員建立了一個普適的定量模型：內(nèi)壁上氫的能量取決于吸附點的類型以及內(nèi)壁上氫的面密度，而芯部氫的能量則由氫的體密度決定(圖2)。由該模型預(yù)測得到的結(jié)構(gòu)和氫俘獲能，與模擬計算結(jié)果高度一致(圖3)。基于該模型的預(yù)測，他們進(jìn)一步開展了鎢中氫脫附速率的多尺度模擬，通過與氫的脫附實驗結(jié)果對比驗證了模型的正確性(圖4)。

這項研究解決了長期以來無法準(zhǔn)確描述和預(yù)測氫在納米孔洞中的結(jié)構(gòu)與能量的基本問題，建立了氫與納米孔洞相互作用的定量物理模型，為理解氫致金屬材料損傷提供了尋求已久的關(guān)鍵認(rèn)知。這些金屬材料不僅會被用在未來聚變堆第一壁裝甲中，助力可控核聚變的實現(xiàn)，也會在氫能源汽車以及航空航天等領(lǐng)域中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

該研究工作得到國家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項、國家自然科學(xué)基金、國家留學(xué)基金委、中科院青促會等項目的支持。