Zware en lichte atomen in één beeld gevangen

Natuurkunde Het was altijd onmogelijk om met een elektronenmicroscoop beelden te maken van materialen met zware én lichte atomen.

Bart Kooi (staand), hoogleraar nanostructured materials and interfaces in Groningen, in de controlekamer van de nieuwe transmissie-elektronenmicroscoop.
Bart Kooi (staand), hoogleraar nanostructured materials and interfaces in Groningen, in de controlekamer van de nieuwe transmissie-elektronenmicroscoop. Foto Rijksuniversiteit Groningen

Met een nieuwe beeldvormingstechniek hebben fysici in Groningen waterstofatomen en veel zwaardere titaniumatomen in één beeld weten te vangen. Met een transmissie-elektronenmicroscoop zoomden ze in op het grensvlak tussen het metaal titanium en titaniumhydride, dat waterstofatomen bevat. Hiermee is het voor het eerst mogelijk om ruim dertig jaar oude theoretische modellen over de structuur van dit grensvlak te verifiëren. De fysici publiceerden hun resultaten vorige week in Science Advances.

Titanium (zwaar) en waterstof (licht) in één opname van een transmissie-elektronenmicroscoop. Beeld Rijksuniversiteit Groningen en Thermo Fisher Scientific

Een goed beeld van de atomaire structuur van een materiaal is nuttig om de eigenschappen ervan te begrijpen. Maar tot nu was het niet mogelijk om duidelijke beelden te maken van materialen met zowel zeer lichte als zwaardere atomen. Dit kregen de fysici wel voor elkaar door een nieuwe detectietechniek te gebruiken, die ontwikkeld is door microscopenproducent Thermo Fisher Scientific in Eindhoven.

Ze demonstreren hun techniek door te kijken naar het lichtste atoom: waterstof. „Door aan te tonen dat het werkt voor waterstof, weten we dat het ook kan met andere lichte atomen”, zegt Bart Kooi, hoogleraar nanostructured materials and interfaces aan de Rijksuniversiteit Groningen.

Duurzame brandstof

Er is ook een praktische reden om naar metaalhydriden te kijken. Waterstof is een veelbelovende, duurzame brandstof, maar voor de opslag heb je grote tanks nodig. Een oplossing is om waterstof op te slaan in (lichte) metalen. Die metaalhydriden nemen veel minder ruimte in. Verder kan het binnendringen van waterstof een metaal bros maken. Dit gebeurt bijvoorbeeld in reactorwanden van kerncentrales. Om verbrossing en waterstofopslag beter te begrijpen is het belangrijk om de atomaire structuur van metaalhydriden goed in beeld te brengen.

De fysici maakten de plaatjes door het grensvlak tussen titanium en titaniumhydride te beschijnen met een extreem smalle elektronenbundel. „Die straal is dunner dan de afstand tussen de atomen”, vertelt Sytze de Graaf, promovendus in Groningen. De elektronen vliegen vervolgens met bijna de lichtsnelheid door het materiaal heen, botsen op de atomen en kaatsen daardoor verschillende kanten op. Door de elektronenbundel over het materiaal te verplaatsen en met een ringvormige detector de hoeveelheid verstrooide elektronen te meten, kun je de structuur afbeelden. Deze techniek bestaat al langer, maar het was bijna onmogelijk om er waterstofatomen mee te zien, omdat die zo licht zijn dat de elektronen er bijna niet op verstrooien. Bovendien overheerst het signaal van de veel zwaardere titaniumatomen waardoor het waterstofsignaal verdwijnt.

„De detectie van de lichte atomen is nu verbeterd door de ring op te delen in vier segmenten”, vertelt De Graaf. „Door die vier metingen niet gewoon op te tellen, maar op een slimme fysische manier te combineren, kunnen we ook de zwakke signalen van de waterstofatomen in beeld brengen.”

Vervormde structuur

Zo zijn plaatjes gemaakt waarop te zien is hoe kolommen van waterstofatomen de ruimte tussen de titaniumatomen vullen, waardoor de hele metaalstructuur vervormd wordt.

Al dertig jaar bestaan er drie modellen die beschrijven hoe de waterstofatomen zich nestelen in het grensvlak tussen titaniumhydride en vrijwel waterstofloos titanium. „We hebben nu voor het eerst aangetoond dat het titaniumhydride tot aan de rand gevuld is met waterstofatomen”, vertelt Kooi. „Voor sommige onderzoekers was dit een onverwacht resultaat omdat ze dachten dat we helemaal geen waterstofatomen zouden zien. Die zouden uit het titaniumhydride stromen zodra je probeert naar het grensvlak te kijken. Maar het grensvlak blijkt een bijzondere structuur dat lijkt op een waterval waarbij de waterstofatomen tot de rand staan maar er niet overheen stromen.”