Waterstof voor het eerst zichtbaar op grensvlak metaal - metaal hydride

Natuurkundigen van de RUG zijn er met een transmissie elektronenmicroscoop (TEM) in geslaagd om waterstofatomen zichtbaar te maken op het grensvlak van titanium en titanium hydride. Door een nieuwe techniek te gebruiken konden zij in één beeld metaal- en waterstofatomen zien, waardoor het mogelijk was verschillende theoretische modellen te toetsen die de structuur van dit grensvlak voorspellen. De resultaten zijn op 31 januari gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances.

Om de eigenschappen van materialen te begrijpen is het vaak nodig om hun atomaire structuur te bekijken. Het zichtbaar maken van atomen met TEM is mogelijk, maar tot nu toe was niemand er nog in geslaagd om goede beelden te maken met daarin zowel zware als zeer lichte atomen, zoals waterstof, het lichtste element. En dit is precies wat Bart Kooi, hoogleraar Nanostructured Materials aan de RUG, samen met zijn collega’s voor elkaar wist te krijgen. Zij gebruikten een nieuwe TEM met eigenschappen die het mogelijk maken om titanium- en waterstofatomen in één beeld te vangen op het grensvlak van titanium en titanium hydride.

Grensvlak

Het plaatje laat zien hoe kolommen waterstofatomen de ruimte tussen de titaniumatomen vullen, waarbij ze de kristalstructuur van het metaal vervormen. De kolommen vullen de helft van de ruimtes, iets dat eerder al voorspeld was. ‘In de jaren 1980 zijn er drie verschillende modellen voorgesteld die de positie van waterstof op dit grensvlak beschrijven’, vertelt Kooi. ‘Wij zijn nu in staat om te zien welk model juist is.’

Om een metaal - metaal hydride grensvlak te maken begonnen Kooi en zijn collega’s met titaniumkristallen. Daar voegden ze atomair waterstof aan toe, dat in dunne wigjes het titanium binnendrong waarbij metaal hydride kristallen ontstonden. ‘In deze wigjes is het aantal waterstofatomen gelijk aan het aantal titanium atomen’, legt Kooi uit. ‘Het binnendringen van de waterstof zorgt voor hoge druk in het kristal. De dunne hydride platen maken het metaal bros, een bekend effect van waterstof dat je bijvoorbeeld ziet in kerncentrales.’ De druk op het grensvlak voorkomt dat het waterstof weer ontsnapt.

Innovaties

Het maken van beelden van het zware titanium met het lichte waterstof was een flinke uitdaging. Allereerst werd het monster ‘gevuld’ met waterstof. Daarna moest het grensvlak precies op de juiste manier bekeken worden, loodrecht op de kolommen waterstofatomen. Dit lukte door kristallen die in de juiste oriëntatie stonden uit te snijden met een ionenstraal en daarna het monster dunner te maken, tot een dikte van vijftig nanometer – opnieuw met de ionenstraal.

Verschillende innovaties waarover de nieuwe TEM beschikt maakten het mogelijk om zowel titanium als waterstof zichtbaar te maken. Zware atomen zijn zichtbaar doordat zij de elektronen waarmee het monster wordt ‘belicht’ verstrooien. De verstrooide elektronen worden bij voorkeur opgevangen door hoge-hoek detectoren. ‘Maar waterstof is te licht om elektronen zo te verstrooien, voor die atomen moeten we gebruik maken van lage-hoek verstrooiing, via elektronengolven.’ Alleen veroorzaakt het materiaal interferentie van de golven, wat het tot nu toe zo goed als onmogelijk maakte om waterstofatomen goed te zien.

Detector

De golven zijn opgevangen door de lage-hoek detector. De nieuwe microscoop heeft daarvoor een ronde detector die in vier segmenten is opgedeeld. Door verschillen in de golven die de tegenover elkaar liggende segmenten passeren te analyseren en te kijken naar de veranderingen die optreden als de elektronenbundel langs het monster scant is het mogelijk de interferentie weg te filteren zodat de waterstofatomen zichtbaar worden.

‘Je moet natuurlijk allereerst een microscoop hebben die kan scannen met een elektronenstraal die dunner is dan de afstand tussen de atomen. Vervolgens is er de combinatie van de gesegmenteerde detector en de software die de informatie analyseert waardoor het lukt de atomen te zien’, legt Kooi uit. Hij werkte voor het onderzoek nauw samen met wetenschappers in dienst van de producent van de microscoop, Thermo Fischer uit Eindhoven. Twee van hen staan als medeauteurs bij het artikel. De groep van Kooi voegde verschillende filters voor ruis toe aan de software en testte deze. Ze voerden ook computersimulaties uit die zijn gebruikt als vergelijkingsmateriaal voor de beelden.

Nanomaterialen

Het onderzoek laat zien hoe de interactie van waterstof met het metaal verloopt, wat nuttige kennis is voor onderzoek naar materialen voor waterstofopslag. ‘Metaal hydriden kunnen meer waterstof per volume-eenheid bevatten dan vloeibaar waterstof.’ Verder is het mogelijk om de techniek die gebruikt is voor het zichtbaar maken van waterstof ook toepasbaar op andere lichte atomen, zoals zuurstof, stikstof of boor. Die zijn belangrijk voor allerlei nanomaterialen. ‘Dat we nu lichte atomen kunnen zien geeft ons allerlei opties voor verder onderzoek.’

Referentie: Sytze deGraaf, Jamo Momand, Christoph Mitterbauer, Sorin Lazar and Bart J. Kooi: Resolving hydrogen atoms at metal-metal hydride interfaces. Science Advances, 31 januari 2020