日本東北大學金屬材料研究所的小山元道等人，開發出了利用掃描型電子顯微鏡（SEM）在納米水平觀察氫如何隨著時間變化影響金屬內部結構的方法。

氫會削弱金屬的強度，這種現象被稱為氫脆。當金屬被腐蝕或者暴露于氫氣中時，氫就會進入金屬中，氫脆成為了高強度金屬應用中的瓶頸。為了開發和評測存在腐蝕可能性的車身用高強度鋼，以及氫能源社會的基礎設施用結構材料，就必須要查清氫脆的機制。

妨礙查清氫脆機制的主要原因之一是難以觀察到相關現象。氫原子是最小的原子，因此會在金屬中四處移動，有時還會跳到金屬外面。因此，需要在注意 “時間” 的同時，在 “納米水平” 觀察隨著氫原子的運動而不斷發生變化的金屬的內部結構。

此次的研究利用電子通道對比成像法，成功在納米水平觀察了含氫金屬的內部結構的時間變化。該方法與其他方法相比，對觀察樣本的形狀限制較小，因此可以觀察氫在不同形狀的金屬片中的影響以及在負載環境中的影響。為了開發強度更高且更耐氫的材料，該方法有望為所有與氫有關的研究做出貢獻。

觀察結果如圖1所示，圖中白色的位置是金屬中的缺陷，是不容易存在原子的部分，這被稱為 “位錯”。受力或受熱后，位錯便開始移動，導致金屬變形、強度變化以及遭到破壞。圖中用藍色標記的位錯在導入氫后大幅移動。此時未向樣本施加外力和熱，表明是氫的存在引起位錯移動的。結合此次的觀察和計算模擬結果發現，不僅是位錯與氫之間的相互作用，與另一種缺陷——晶界之間的三體相互作用也會引起這種現象。

圖1：導入氫之后的金屬內部結構的時間變化。從上到下依次為經過1小時、2小時和3小時后的圖像。

除了對觀察樣本的形狀限制較小以外，該方法還有一個特點是，與其他方法相比，無需復雜的環境和復雜的試片形狀，與仿真具有良好的兼容性。而且該方法無需使用特殊的裝置，因此有望成為一種通用方法，用于開發、研究和評測在氫環境下使用的高強度材料。

【論文信息】

題目：Origin of micrometer-scale dislocation motion during hydrogen desorption

期刊：《Science Advances》

DOI：10.1126/sciadv.aaz1187