氫是宇宙中最小、最簡單的元素，卻能給金屬製造一道極其棘手的難題。
它的原子小到可以鑽進金屬晶格的縫隙，在材料內部移動、聚集，並在沒有明顯外觀預警的情況下誘發裂紋。這種現象被稱為氫脆，是航空航天、儲氫罐、輸氫管道及其他氫能基礎設施必須面對的安全挑戰。
如今，NTU材料科學與工程學院Nanyang Assistant Professor 陳翊昇（Eason Chen）教授及其合作團隊，終於向「看見」金屬晶格中自由存在的氫邁出了關鍵一步。研究成果發表於國際學術期刊《Nature》。
我們一直知道氫能夠進入金屬，卻很難確定這些原子究竟藏在哪裡。NTU團隊的突破，是在三維原子尺度上獲得間隙氫分布的實驗證據。
一個小原子，為什麼會帶來大麻煩？
氫可能在金屬製造、腐蝕或暴露於富氫環境的過程中進入材料。部分氫原子會被空位、位錯和晶界等結構缺陷捕獲；另一些則以間隙溶質的形式存在於晶格之中，並能在材料內快速擴散。
當氫與應力、材料缺陷等條件共同作用時，金屬可能逐漸失去韌性，裂紋也更容易形成和擴展。危險之處在於，部件表面看起來可能完全正常，內部性能卻已經發生改變。
這種風險並非只存在於實驗室。航空器起落架、橋樑錨杆等承力構件都曾發生與氫脆有關的失效。進入氫能時代後，儲存和運輸系統會長期接觸氫，對材料安全的要求也將更高。
「黑洞」般的氫：知道它在，卻很難觀察
Eason Chen把材料中的氫比作黑洞：研究人員知道它存在，也能看到它造成的影響，卻很難直接捕捉其位置。
常規電子顯微技術難以有效識別氫。即使使用能夠逐個識別原子並重建三維位置的原子探針斷層掃描（APT），自由溶解在晶格中的氫仍非常難測量。
原因包括氫在很多合金中的溶解度很低、移動速度極快，也容易在樣品轉移和測量前逃逸。此外，儀器背景中也可能出現氫信號，研究人員必須區分真正進入材料的氫與實驗干擾。
零下196℃，把「逃跑」的氫凍住
實驗首先把微小金屬樣品製成極尖的針狀，並通過電化學方式引入氫的同位素——氘。使用氘作為替代信號，可以幫助團隊把樣品中的真實信號與儀器背景氫區分開來。
隨後，樣品被迅速放入零下196℃的液氮中。極低溫度可大幅減慢氘原子的移動，降低它們在進入分析儀器前逃離樣品的機率。
在原子探針中，強電場將針尖上的原子逐個剝離。儀器通過測量離子到達探測器所需的時間，判斷其質荷比，再重建樣品中不同原子的三維位置。
這套方法過去已經能夠研究聚集在缺陷處的氫，但要觀察隨機分布於晶格間隙的氫，仍需要找到一種可以「留住」它的材料。
高熵合金成為關鍵「捕氫器」
突破來自Rongjian Shi博士帶來的一種高熵合金樣品。與主要由一種金屬構成的傳統合金不同，高熵合金由多種金屬以較高比例共同組成，局部晶格會產生複雜畸變。
這種畸變恰好能夠減慢氫原子的擴散，為低溫原子探針爭取更多觀察時間。團隊使用面心立方多主元合金作為模型體系，並在數據中看到氘在晶格內呈現接近隨機、較為均勻的分布特徵。
團隊還通過最近鄰統計分析與理論計算進行比對，以確認觀察到的信號更符合間隙氫固溶，而不是氫在材料缺陷處聚集。
換句話說，研究人員不再只看到氫化物或「卡」在缺陷處的氫，而是進一步接近了氫在完整金屬晶格中自由存在時的真實狀態。
為下一代氫能材料提供設計依據
這項研究並不是直接製造出一種「不會氫脆」的萬能金屬，而是建立了更可靠的觀察方法。只有知道氫原子偏好進入哪些區域、在不同相之間怎樣分配，以及哪些局部結構會減慢或加速其移動，工程師才能更有針對性地設計材料。
這對儲氫和輸氫設備、高強度結構合金、核裂變反應堆包殼以及未來聚變裝置都有潛在價值。相關係統能否安全、長久運行，很大程度上取決於材料如何與氫相互作用。
研究也體現了NTU在材料表征與低碳能源領域的交叉優勢。項目使用了NTU分析、表征、測試與模擬設施（FACTS）以及南洋能源研究院的技術支持，並獲得新加坡國家研究基金會與NTU相關資助。
對追逐氫原子超過十年的陳翊昇（Eason Chen）教授而言，這次成果是一個重要里程碑；對氫能產業而言，它則打開了一扇觀察材料內部世界的新窗口。
