Wetenschappers zien voor het eerst losse waterstofatomen verstopt in metaalrooster

Waterstof geldt als een van de belangrijkste bouwstenen van een klimaatneutrale energievoorziening. Het gas kan dienen als brandstof, als opslagmedium voor duurzame energie en als grondstof voor groene ammoniak. Maar waterstof heeft ook een keerzijde: het maakt metalen broos en kan scheuren veroorzaken in pijpleidingen, opslagtanks en reactoronderdelen. Om dat probleem op te lossen, moeten wetenschappers precies weten waar de kleine waterstofatomen zich in een metaal verschuilen. Dat is tot nu toe lastig gebleken, omdat waterstof extreem klein en beweeglijk is en zich moeilijk laat onderscheiden van vervuiling in meetapparatuur.

Drie schuilplaatsen voor waterstof

In een metaal kan waterstof zich op drie manieren gedragen. Het kan los opgelost zitten tussen de metaalatomen, het kan een chemische verbinding vormen met metaal tot een zogeheten hydride, of het kan vastzitten op onvolkomenheden in het kristalrooster, zoals ontbrekende atomen of korrelgrenzen. Van die drie vormen waren hydrides en vastzittende waterstof al relatief goed te meten met een techniek die atoomprobe tomografie heet. Los opgeloste waterstof, de meest voorkomende en voor materiaalgedrag belangrijkste vorm, bleef echter grotendeels onzichtbaar. De hoeveelheden zijn klein, de atomen bewegen snel weg uit het materiaal, en de methoden om waterstof in een monster te krijgen introduceren vaak ongewenste schade die de metingen vervalst.

Deuterium als stand-in

Om dit op te lossen gebruikten de onderzoekers deuterium, een zwaardere variant van waterstof, als vervanger. Omdat deuterium een ander gewicht heeft dan de waterstofatomen die van nature in meetapparatuur rondzweven, is het signaal van echte interesse goed te onderscheiden van achtergrondruis. Ze brachten deuterium via een elektrochemisch bad in naaldvormige testmonsters van een legering met vijf metalen in gelijke verhoudingen: kobalt, chroom, nikkel, ijzer en mangaan. Dit type legering, ook wel high-entropy alloy genoemd, heeft een kristalstructuur die extra ruimte biedt aan waterstofatomen en die beweging vertraagt. Direct na het inbrengen van deuterium vroren de onderzoekers de monsters razendsnel in met vloeibare stikstof, om te voorkomen dat de atomen zouden weglekken voordat de meting kon plaatsvinden.

Gelijkmatige verdeling als bewijs

De metingen lieten een duidelijk signaal van deuterium zien, los van de normale waterstofachtergrond. Belangrijker nog: de deuteriumatomen waren willekeurig en gelijkmatig verspreid door het materiaal, precies zoals je zou verwachten van waterstof dat vrij opgelost is in het metaalrooster, in plaats van opgehoopt bij specifieke defecten. Herhaalde metingen op een ander monster leverden vergelijkbare resultaten op, wat de betrouwbaarheid van de methode onderstreept. Deze doorbraak geeft materiaalkundigen voor het eerst een betrouwbaar gereedschap om te bestuderen hoe waterstof zich daadwerkelijk gedraagt binnen metalen, wat essentieel is voor het ontwikkelen van materialen die minder gevoelig zijn voor waterstofverbrossing en die veiliger en efficiënter waterstof kunnen opslaan.