Inclusioni di idrogeno mappate in 3D ad alta risoluzione
Utilizzando un metodo di tomografia, gli scienziati dei materiali sono riusciti per la prima volta a localizzare le inclusioni di idrogeno in un metallo in tre dimensioni, fino al singolo atomo. La ricerca è stata resa possibile da un metodo di misurazione unico a livello mondiale sviluppato all'ETH di Zurigo.
L'idrogeno è un nemico di molti metalli. Se gli atomi di idrogeno sono intrappolati nei metalli, le proprietà del materiale possono essere gravemente compromesse: Il materiale può diventare fragile o si possono formare delle crepe. Per migliorare i materiali, è quindi importante evitare il più possibile le inclusioni di idrogeno. Il prerequisito è che tali inclusioni possano essere localizzate. Finora, tuttavia, non è stato possibile localizzare i singoli atomi di idrogeno in un campione di materiale in tre dimensioni.
Gli scienziati dei materiali dell'Università di Oxford, insieme agli esperti di microscopia dell'ETH di Zurigo, hanno mappato per la prima volta in tre dimensioni i singoli atomi di idrogeno volatili in un materiale solido. Lo riferiscono nell'attuale numero della rivista Science. La misurazione è stata effettuata su un campione di acciaio ad alta resistenza.
Vaporizzato atomo per atomo
Per la mappatura hanno utilizzato la tomografia a sonda atomica. In questo processo, un piccolo campione di materiale appuntito viene scomposto e analizzato atomo per atomo in una camera di analisi sotto vuoto spinto in modo controllato: In ogni caso, alcuni atomi della superficie del campione vengono vaporizzati e analizzati con un breve impulso di tensione. Questa operazione continua fino a quando gli atomi di una regione tridimensionale da analizzare sono stati vaporizzati. La regione del campione corrispondente viene distrutta durante il processo. Un computer può quindi generare un modello tridimensionale della struttura atomica del campione dalle traiettorie degli atomi vaporizzati e rilevati.
La tomografia a sonda atomica è generalmente adatta all'analisi di leghe, minerali o semiconduttori. Tuttavia, è estremamente difficile localizzare l'idrogeno, poiché gli atomi di idrogeno sono molto mobili (volatili) all'interno del campione.
Analisi al freddo
Tuttavia, atomi come l'idrogeno possono essere localizzati con la tomografia a sonda atomica raffreddando i campioni a temperature molto basse. In queste condizioni, l'idrogeno intrappolato nei campioni non è volatile. L'unico microscopio a sonda atomica che attualmente può essere utilizzato per mantenere i campioni costantemente al di sotto dei meno 140 gradi Celsius e con il quale è possibile effettuare tali misurazioni si trova all'ETH di Zurigo. Gli scienziati dei materiali di Oxford hanno quindi effettuato le loro misurazioni a Zurigo.
"? una sfida introdurre un campione freddo in un sistema ad alto vuoto in modo che rimanga freddo e non si condensi, il che interferirebbe con la misurazione", spiega Stephan Gerstl, scienziato di ScopeM, il Centro per la microscopia ottica e la microscopia elettronica dell'ETH di Zurigo. Insieme allo scienziato Roger Wepf e ad altri colleghi dello ScopeM, ha sviluppato un ingegnoso sistema per il trasporto e il trasferimento dei campioni che consente ai ricercatori di mantenere il campione a meno 140 gradi Celsius in ogni momento, anche sotto vuoto, e di raffreddarlo a meno 250 gradi Celsius prima di effettuare le misurazioni.
Trucco con l'idrogeno pesante
Poiché le più piccole impurità di idrogeno nella camera di misurazione avrebbero potuto falsare le misure, gli scienziati hanno dovuto ricorrere a un trucco: Per stabilire la tecnica, hanno prodotto un campione di metallo con inclusioni di un isotopo di idrogeno più pesante (il deuterio), estremamente raro in natura. In questo modo è stato possibile distinguere le inclusioni metalliche dalla contaminazione dell'idrogeno convenzionale al di fuori del campione e quindi individuare chiaramente le inclusioni.
La nuova tomografia a sonda atomica a bassa temperatura potrebbe essere interessante anche per l'analisi di altri materiali, come campioni morbidi come gomma e polimeri o addirittura liquidi. Gli scienziati dell'ETH hanno ancora grandi progetti per il loro dispositivo di misurazione unico.
Letteratura di riferimento
Chen YS, Haley D, Gerstl SSA, London AJ, Sweeney F, Wepf RA, Rainforth WM, Bagot PAJ, Moody MP: Direct Observation of Individual Hydrogen Atoms at Trapping Sites in a Ferritic Steel. Science, 17 marzo 2017, doi: pagina esterna10.1126/science.aal2418