氢社会的实现需要用于制造、储存、运输和保存氢气的材料，为了了解氢在材料中的行为，需要特殊设备和环境，观察范围也很受限制。
日本东北大学金属材料研究所的柿沼洋助教等开发出了一种新技术，可以通过使用与氢原子反应后颜色发生变化的高分子聚苯胺和通用的光学显微镜，用简便而廉价的方法拍摄氢在金属中运动情况的视频。相关成果已刊登在《Acta Materialia》上。
(a)传统氢检测技术与本研究开发的氢可视化技术在空间和时间分辨率上的比较。
(b)本研究提出的氢可视化技术示意图。（供图：东北大学）
聚苯胺与金属中的氢原子反应后颜色会发生变化，使得金属中的氢分布状态可视化成为可能。此外，光学显微镜还可以以微尺度的空间分辨率拍摄亚毫米宽视场视频图像。因此，通过使用光学显微镜观察聚苯胺的颜色，能够以远超传统技术的空间分辨率和时间分辨率观察宽视场中的氢。
在本次研究中，研究人员观察了氢在纯镍箔中移动的状况。进入到纯镍箔中的氢以浓度梯度为驱动力进行扩散，到达聚苯胺成膜的纯镍箔的另一侧。当聚苯胺与金属中的氢原子发生反应时，颜色会从紫色变成白色，所以用光学显微镜观察聚苯胺的颜色，就可以分析氢在纯镍中的行为。实际对纯镍中氢原子流动情况的分析表明，氢会优先在镍原子排列紊乱的晶粒间界扩散。
此外，研究人员还发现，氢的扩散根据晶粒间界的类型不同而产生变化。例如，氢原子在纯镍中的扩散取决于镍原子的排列，几何空间越大的晶粒间界，氢的流动量就越大。
上述结果是通过实验揭示金属材料的原子水平结构特征与氢行为之间关系的事例，并且是首次利用高空间和高时间分辨率氢观测技术获得的，而这种观测使用传统方法是无法实现的。
此次开发的新型氢观测方法适用于所有金属。该方法有望通过实验阐明此前只能通过模拟计算来探讨的各种金属构造与氢行为之间的关系。此外，通过阐明原子水平的金属结构与微尺度的氢行为之间的因果关系，有望实现高效的材料设计。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Acta Materialia
论文：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
