科学家创造出金属中氢纳米孔相互作用的预测模型！中国和加拿大科学家进行了为期五年的合作研究，通过计算机模拟，建立了一个理论模型来预测金属中氢纳米气泡的性质。国际团队由合肥物理科学研究院固体物理研究所的中国科学家和加拿大麦吉尔大学合作伙伴组成，其研究成果发表在了《自然材料》上。研究人员认为，研究可能有助于定量理解和评估富氢环境(如聚变反应堆堆芯)中氢引起的损害。

氢是已知宇宙中最丰富的元素，是聚变反应一种备受期待的燃料，因此也是研究的一个重要焦点。在某些富氢环境中，例如核聚变反应堆核心的钨防护层，金属材料可能因长期接触氢而受到严重和不可修复的损伤。氢是最轻的元素，很容易通过金属原子间的间隙穿透金属表面。这些氢原子很容易被困在金属的纳米级空隙(“纳米空隙”)中，这些空隙要么是在制造过程中产生，要么是在聚变反应堆中通过中子辐照产生。

这些纳米气泡在内部氢气压力下变得越来越大，最终导致金属失效。不出意料，氢和纳米孔之间的相互作用促使了气泡的形成和生长，这被认为是这种失败的关键。然而，氢纳米气泡的基本性质，如数量和被包裹在气泡中氢的强度，在很大程度上是未知的。此外，现有实验技术使得直接观察纳米级氢气泡几乎不可能。为了解决这个问题，研究小组建议使用基于基本量子力学的计算机模拟。

然而，氢纳米气泡的结构复杂性使得数值模拟极其复杂。因此，研究人员需要五年时间来制作足够的计算机模拟来回答这个问题。然而，最终发现，纳米空隙中的氢捕获行为（尽管看起来很复杂）实际上遵循着简单的规则。首先，单个氢原子以相互排斥的方式被具有不同能级纳米空隙的内表面吸附。其次，经过一段时间的表面吸附后，由于空间有限，氢被推到纳米空隙的核心，在那里分子氢气聚集。

根据这些规则，研究小组建立了一个模型，该模型能够准确预测氢纳米气泡的性质，并与实验观察结果吻合良好。正如氢在金属中填充纳米气泡一样，这项研究填补了长期以来在理解金属中纳米气泡是如何形成方面的空白。该模型为核聚变反应堆氢致损伤的评估提供了有力工具，为未来获取核聚变能量铺平了道路。

博科园｜研究/来自：中国科学院

参考期刊《自然材料》

DOI: 10.1038/s41563-019-0422-4

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