氫社會的實施需要用於製造、儲存、運輸和保存氫氣的材料，爲了瞭解氫在材料中的行為，需要特殊設備和環境，觀察範圍也很受侷限。
日本東北大學金屬材料研究所的柿沼洋助教等開發出了一種新技術，可以透過使用與氫原子反應後顏色發生變化的聚合物聚苯胺和通用的的光學顯微鏡，用簡便而廉價的方法拍攝氫在金屬中運動情況的影片。相關成果已刊登在《Acta Materialia》上。
(a)傳統氫檢測技術與本研究開發的氫視覺化技術在空間和時間解析度上的比較。
(b)本研究提出的氫視覺化技術示意圖。（供圖：東北大學）
聚苯胺與金屬中的氫原子反應後顏色會發生變化，使得金屬中的氫分佈狀態視覺化成爲可能。此外，光學顯微鏡還可以以微尺度的空間解析度拍攝亞毫米寬視角影片影像。因此，透過使用光學顯微鏡觀察聚苯胺的顏色，能夠以遠超傳統技術的空間解析度和時間解析度觀察寬視角中的氫。
在本次研究中，研究人員觀察了氫在純鎳箔中行程的狀況。進入到純鎳箔中的氫以濃度梯度爲驅動力進行擴散，到達聚苯胺成膜的純鎳箔的另一側。當聚苯胺與金屬中的氫原子發生反應時間，顏色會從紫色變成白色，所以用光學顯微鏡觀察聚苯胺的顏色，就可以分析氫在純鎳中的行為。實際對純鎳中氫原子流動情況的分析表明，氫會優先在鎳原子排列紊亂的晶粒間界擴散。
此外，研究人員還發現，氫的擴散根據晶粒間界的類型不同而產生變化。例如，氫原子在純鎳中的擴散取決於鎳原子的排列，幾何空間越大的晶粒間界，氫的流動量就越大。
上述結果是透過實驗揭示金屬材料的原子水平結構特徵與氫行為之間關係的事例，並且是首次利用高空間和高時間解析度氫觀測技術獲得的，而這種觀測使用傳統方法是無法實施的。
此次開發的新型氫觀測方法適用於所有金屬。該方法有望透過實驗闡明此前只能透過類比計算來探討的各種金屬構造與氫行為之間的關係。此外，透過闡明原子水平的金屬結構與微尺度的氫行為之間的因果關係，有望實施高效的材料設計。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Acta Materialia
論文：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
