首次建立金屬中納米孔洞俘獲氫定量預測模型

中科院合肥研究院固體物理研究所劉長松課題組吳學邦與麥吉爾大學宋俊合作，首次建立了體心立方金屬中納米孔洞氫俘獲和聚集起泡的定量預測模型，為理解氫致損傷，以及設計新型抗氫致損傷材料提供了可靠的理論基礎和工具。該成果日前發表在《自然·材料》雜志上。

氫極易鉆進金屬材料的內部，導致材料損傷。例如，在磁約束核聚變反應堆的核心部位，燃料氫同位素極易滲透進保護其他部件的鎢金屬裝甲，與中子輻照產生的納米孔洞結合，從而形成氫氣泡并產生裂紋，最終對材料的結構和服役性能造成致命損傷，危及聚變裝置的安全。

為攻克上述難題，研究人員采用基于密度泛函理論的模擬方法，在原子尺度上獲得了精確的氫與納米孔洞相互作用數據，并結合多尺度模擬方法，進行宏觀尺度模擬，從而與實驗結果進行對比驗證。針對氫在不光滑納米孔洞內壁上吸附問題，他們以體心立方金屬鎢為例，通過分析氫的運動軌跡，發現氫總是以單原子形式有次序地吸附在一些特定位置上，氫在復雜的孔洞內壁吸附規律可概括為五類吸附位點及相應的五個吸附能級，從而準確描述氫在不光滑納米孔洞內壁上的吸附特性。

基于上述規律，研究人員建立了一個普適的定量模型：內壁上氫的能量取決于吸附點的類型以及內壁上氫的面密度，而芯部氫的能量則由氫的體密度決定。由該模型預測得到的結構和氫俘獲能，與模擬計算結果高度一致。

這項研究建立了氫與納米孔洞相互作用的定量物理模型，為理解氫致金屬材料損傷提供了尋求已久的關鍵認知。這些金屬材料不僅會被用在未來聚變堆第一壁裝甲中，助力可控核聚變的實現，也會在氫能源汽車以及航空航天等領域中發揮至關重要的作用。