生活中常見的鋁制品通常穩定耐用，因為它的表面會自然形成一層致密而堅硬的氧化鋁保護膜（俗稱“剛玉”）。但在含氫環境中，鋁制品表面常常會鼓出氣泡，最終導致氧化膜保護層脫落，乃至材料失效。這一現象，被稱為“氫鼓泡”。而氣泡密度足夠大時，氧化膜保護層便會脫落，最終導致材料失效。盡管此前各國研究人員進行了大量研究，但對其原子尺度的機理一直不甚明了。
西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室微納尺度材料行為研究中心的科研人員破解了這一難題，有助于人們找到防止氫致界面失效的方法，提高材料在含氫環境中的服役壽命。此項成果發表在6月30日出版的《自然—材料》上。
科研人員發現，原來，對于“纖瘦”的氫原子而言，剛玉中的原子間隙如此之大，以至于它們可以在其中來去自如。氫原子的隨性“游走”會破壞金屬鋁和剛玉之間“手拉手”的緊密聯系，從而使部分鋁原子“重獲自由”。這些鋁原子也會在氧化物和金屬鋁的界面上自由運動，并在金屬鋁的一側形成很多微小的坑。隨著坑的不斷“長大”，氫原子會有足夠的空間重新結合形成氫分子并對氧化膜產生壓力。當坑的直徑大到某一臨界尺寸時，氧化膜就會被撐得發生塑性變形，并向外鼓出，形成氣泡。
據了解，此項研究中，科研人員一改以往楔形的樣品設計，采用微納尺度的金屬鋁圓柱體，通過環境透射電子顯微鏡觀察氫氣氛圍下金屬和氧化界面的動態演化過程，以令人信服的證據無可爭辯地證明了氫致表面氧化物鼓泡的晶向依賴性。
該中心主任單智偉告訴記者：“這項發現對很多與氫有關的未解之謎都有重要的啟示，比如半導體芯片中的導線基底界面劣化等。”
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