氢气虽然是最小、最轻的原子，却能渗入材料并改变其特性，如超导性和金属-绝缘体转变，从而对材料产生重大影响，研究人员一直在寻找精准定位氢原子的方法。
近期，东京大学工业技术研究所的研究人员开发出了一种在纳米薄膜中精确定位氢原子的方法，这一突破对超导性和其他材料特性具有重要影响。
（东京大学工业技术研究所的研究人员结合多种技术，确定了氢在氢化钛纳米薄膜中的位置。图片来源：东京大学工业技术研究所）
最新研究成果公布
在11 月 14 日发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上的一项新研究中，东京大学工业科学研究所的科学家们介绍了一种在纳米薄膜中精确定位氢原子的技术。
研究采用了核反应分析和离子通道技术，揭示了氢及其同位素在钛纳米薄膜中的分布情况，为调整材料特性以适应包括储氢和催化在内的各种应用提供了启示。
氢在钛纳米薄膜中的作用
氢原子由于体积微小，可以迁移到其他材料的结构中。了解氢原子的精确数量和位置对于调整材料特性至关重要。然而，由于电子探针和 X 射线等常用技术往往缺乏对如此小的原子所需的灵敏度，因此探测氢仍然十分困难。
先进的氢检测技术
研究人员将核反应分析 (NRA) 和离子通道这两种技术结合起来，生成了氢化钛纳米薄膜的二维角度图。
"我们仔细观察了 TiH1.47 纳米薄膜，"该研究的第一作者 Takahiro Ozawa 解释说。"了解纳米薄膜非常有用，因为许多与氢有关的应用都涉及表面和次表面反应。我们能够精确定位纳米薄膜中的氢原子和氘原子。"
所有氘原子（氢的一种同位素，质量是氢的两倍）都位于钛晶体中被称为四面体的位置。然而，有 11% 的氢原子位于八面体位置。计算结果表明，这些不同的位点降低了对称性，从而使晶格更加稳定。
通过同位素控制调整纳米薄膜特性
由于核量子效应，氘原子并不占据八面体位点，因此可以根据预期应用，通过控制氢同位素的比例来调整纳米薄膜的稳定性和特性。
"能够区分氢化物中的两种同位素为控制提供了机会，"资深作者 Katsuyuki Fukutani 说。"对氢化钛纳米薄膜的进一步了解也有望促进储氢、固体电解质和异相催化应用，使我们朝着未来实用安全的绿色解决方案迈进。
获取原文：“Isotope-dependent site occupation of hydrogen in epitaxial titanium hydride nanofilms” 14 November 2024, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-024-53838-6
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