这里也给大家科普一下“氢气球”的科学原理。

文章作者:管理一号 | 2019-07-16
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最近,“氢气球”在学术界遽然火了起来,《天然-材料》刚刚发文,报导了一篇关于“氢气球”的研讨。借着这波热度,这儿也给我们科普一下“氢气球”的科学原理。

当然,如果只是街头冷巷卖的一般乳胶氢气球,甭说招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。

可是,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”

太阳每日东升西落,我们必定都很熟悉。但你可知道,太阳看似是一个大火球,可实际上,支撑它发光发热其实是核聚变。换句话说,太阳就像一个继续爆炸中的氢弹。这颗大氢弹会不断地辐射出太阳风,其主要成分便是高速运动的带电氢离子。不过,有地球大气层的阻挠,太阳风一般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,为人类国际带来火焰的温暖与光亮。而如今,这个神话正在一步步走向实际。在安徽合肥,科研人员制作了一座名为“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略的工作。和天上的太阳相同,“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,研讨人员们规划了一层钨金属装甲,将“小太阳”紧紧包裹。

小太阳”核聚变反应堆傍边,氢离子“太阳风”与钨装甲的密切接触

但后来人们发现,“太阳风”尽管能够被金属装甲有效阻挠,但它相同给金属装甲带来了难以修正的损害。例如,“太阳风”的中的高能粒子会把金属原子撞走,然后在装甲中构成许许多多纳米级其他孔洞。而氢作为“太阳风”的主要成分,很简单在这些孔洞中集合并构成氢气。在气压的作用下,氢会将孔洞越挤越大,最后像吹气球相同将金属胀裂。

高能粒子辐照下,金属中发作的纳米孔洞,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”明显不是我们期望看到的,研讨人员也因而对其对进行了许多研讨。可是,人们对氢在纳米孔洞中的一些根本性质,例如氢在孔洞内怎么散布、孔洞对氢的招引有多强、能包容多少氢、会带来多大的氢气压等问题,却仍然未能给出答案。

要知道,“氢气球”一开始只要纳米(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,也很难看清他们的详细结构。而且,“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,也极大地提升了核算机模拟的复杂度,给相关研讨带来了巨大的挑战。

为了霸占以上这些难题,中科院合肥研讨院固体物理研讨所刘长松研讨员课题组对这个问题进行了历时近五年的探究,在超级核算机上进行了数万次模拟后,终于总结出了纳米孔洞抓获氢的根本规律。

纳米孔洞中“氢气球”示意图

经过剖析氢的运动轨道,研讨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摆放尽管不规则,但依据近邻金属原子的缺失状况,能够将吸附方位概括为五类,对应五个不同的吸附能级。氢会按照必定顺序逐步占有这些吸附方位。

内壁上的氢有些交际恐惧症,对其他的氢总是有些排挤,喜欢坚持间隔。因而,当内壁被许多氢占有时,部分氢原子便受不了拥堵,逐步被挤到了空阔的孔洞芯部。可是,来到芯部的氢失去了能够依托的内壁,只能两两构成氢分子,互相扶持。这些氢分子对之间也是互相排挤的,跟着芯部氢分子越来越拥堵,氢气泡的压强也就越大,然后将孔洞越挤越大。

根据这些规律,研讨人员建立了一个普适的定量模型,推导出了一个简略的物理公式,然后处理了长期以来无法准确描绘和猜测“氢气球”结构与能量的根本问题。在这个物理模型的帮忙下,研讨人员对“太阳风吹气球”这一现象做出了能够被实验验证的可靠猜测。这项研讨不只能帮忙我们了解现有的“氢气球”实验成果,也对规划新的抗氢损害金属材料意义严重。这些金属材料不只会被用在未来的“小太阳”装甲中,为我们供给几乎无限的清洁动力,也会在氢动力轿车以及航空航天等范畴中发挥至关重要的作用。

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