“太阳风”吹起来的“氢气球”

“太阳风”吹起来的“氢气球”
2019年07月16日 09:51 新浪科技综合

  来源:中科院之声

  最近,“氢气球”在学术界突然火了起来,《自然-材料》刚刚发文,报导了一篇关于“氢气球”的研究。借着这波热度,这里也给大家科普一下“氢气球”的科学原理。

  当然,如果只是街头小巷卖的普通乳胶氢气球,别说吸引那些专家们的目光,只怕正在读这篇文章的您也不会太感兴趣。

  但是,如果是在高强度的钢铁中,甚至是在硬度极高的钨合金中吹出来的“氢气球”呢?

  “太阳风”在金属中吹出来的“氢气球”,了解一下?

“太阳风”在金属中吹出“氢气球”“太阳风”在金属中吹出“氢气球”

  太阳每日东升西落,大家肯定都很熟悉。但你可知道,太阳看似是一个大火球,可实际上,支持它发光发热其实是核聚变。换句话说,太阳就像一个持续爆炸中的氢弹。这颗大氢弹会不断地辐射出太阳风,其主要成分就是高速运动的带电氢离子。不过,有地球大气层的阻挡,太阳风通常很难影响到地表上的我们。

  可是,若是有一天,烈日天火能够为人类所用呢?

  在希腊神话中,普罗米修斯从宙斯手中盗得天火,为人类世界带来火焰的温暖与光明。而如今,这个神话正在一步步走向现实。在安徽合肥,科研人员建造了一座名为“东方超环”的可控核聚变实验装置。私下里,我们也称它为“小太阳”。

  盗天火并不是一件简单的事情。和天上的太阳一样,“小太阳”也会不断的辐射出“太阳风”。为了抵挡“太阳风”中高速运动的粒子,研究人员们设计了一层钨金属装甲,将“小太阳”紧紧包裹。

“小太阳”核聚变反应堆当中,氢离子“太阳风”与钨装甲的亲密接触“小太阳”核聚变反应堆当中,氢离子“太阳风”与钨装甲的亲密接触

  但后来人们发现,“太阳风”虽然能够被金属装甲有效阻挡,但它同样给金属装甲带来了难以修复的损伤。例如,“太阳风”的中的高能粒子会把金属原子撞走,从而在装甲中形成许许多多纳米级别的孔洞。而氢作为“太阳风”的主要成分,很容易在这些孔洞中聚集并形成氢气。在气压的作用下,氢会将孔洞越挤越大,最后像吹气球一样将金属胀裂。

高能粒子辐照下,金属中产生的纳米孔洞,图片摘自Materials 2016, 9(2),105; https://doi.org/10.3390/ma9020105高能粒子辐照下,金属中产生的纳米孔洞,图片摘自Materials 2016, 9(2),105; https://doi.org/10.3390/ma9020105

  这些“太阳风”吹出来的“氢气球”显然不是我们希望看到的,研究人员也因此对其对进行了大量研究。但是,人们对氢在纳米孔洞中的一些基本性质,例如氢在孔洞内如何分布、孔洞对氢的吸引有多强、能容纳多少氢、会带来多大的氢气压等问题,却依然未能给出答案。

  要知道,“氢气球”一开始只有纳米(十亿分之一米)大小,中间的氢原子甚至不足0.1纳米,即使用最先进的显微镜,也很难看清他们的具体结构。并且,“氢气球”内壁上金属原子的不规则排布,以及多个氢之间的互相影响,也极大地提升了计算机模拟的复杂度,给相关研究带来了巨大的挑战。

  为了攻克以上这些难题,中科院合肥研究院固体物理研究所刘长松研究员课题组对这个问题进行了历时近五年的探索,在超级计算机上进行了数万次模拟后,终于总结出了纳米孔洞俘获氢的基本规律。

纳米孔洞中“氢气球”示意图纳米孔洞中“氢气球”示意图

  通过分析氢的运动轨迹,研究人员发现氢最喜欢吸附在纳米孔洞的内壁上。而内壁上金属原子的排列虽然不规则,但根据近邻金属原子的缺失情况,可以将吸附位置归纳为五类,对应五个不同的吸附能级。氢会按照一定顺序逐渐占据这些吸附位置。

  内壁上的氢有些社交恐惧症,对其他的氢总是有些排斥,喜欢保持距离。因此,当内壁被很多氢占据时,部分氢原子便受不了拥挤,逐渐被挤到了空旷的孔洞芯部。然而,来到芯部的氢失去了可以依靠的内壁,只能两两形成氢分子,相互扶持。这些氢分子对之间也是相互排斥的,随着芯部氢分子越来越拥挤,氢气泡的压强也就越大,从而将孔洞越挤越大。

  基于这些规律,研究人员建立了一个普适的定量模型,推导出了一个简单的物理公式,从而解决了长期以来无法准确描述和预测“氢气球”结构与能量的基本问题。在这个物理模型的帮助下,研究人员对“太阳风吹气球”这一现象做出了能够被实验验证的可靠预测。这项研究不仅能帮助我们理解现有的“氢气球”实验结果,也对设计新的抗氢损伤金属材料意义重大。这些金属材料不仅会被用在未来的“小太阳”装甲中,为我们提供几乎无限的清洁能源,也会在氢能源汽车以及航空航天等领域中发挥至关重要的作用。

  相关论文以长文形式,发表在材料领域权威期刊《自然-材料》上。论文链接: https://doi.org/10.1038/s41563-019-0422-4 。

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