在中国国家自然科学基金（51231005、11132006、51401159及51321003）、973项目(2012CB619402)资助下，银河国际4556微纳尺度材料行为研究中心的研究人员利用性能独特的环境透射电子显微镜结合巧妙地样品设计，以令人信服的实验数据揭示了氢致表面氧化物鼓泡在原子尺度的起源并无可争辩地证明了它的晶向依赖性。上述结果以“In situ study of the initiation of hydrogen bubbles at the aluminum metal/oxide interface”于2015年6月29日在线发表在《自然-材料》期刊上。

氢脆的机理是一个有着上百年历史的科学问题。传统的理论认为氢致金属表面起泡的原因是氢气在界面上聚集所产生的压力使得表层材料鼓起形成的，而基底的金属材料会保持原有形状。但是，基于上述认知的理论尽管可以解释氢泡的生长但却无法解释氢泡的成核，因为根据该理论氢泡的成核应力将远远超过金属基底的屈服强度，从而使其发生塑性变形，而这与传统的认知和假设相悖。因此，氢泡的起源一定有尚未被揭示的机理在起作用，而界面的动态演化将是解密的关键。基于上述认知，我院微纳中心的研究人员通过将传统的楔形样品改为柱形样品，成功地观察到了铝和其表面氧化物界面上氢泡的成核与长大全过程。结果发现，电子束可以是氢分子变身为氢原子，而氢原子小巧的身躯使得她能够在表面氧化层中来去自如。而一旦进入到铝和氧化铝的界面，氢原子就会大大削弱铝和氧化铝的键合强度，并使得临近界面处的铝原子脱离束缚自由迁移。在表面能最小化的驱动下，首先在铝一侧形成一些由低能晶面所界定的小坑。当这些小坑长大到临界尺寸后，其空间内重新复合的氢分子所产生的压力将足以使得表面氧化层发生塑性变形，并形成气泡，而这些气泡的位置和大小具有显著的晶体学取向依赖性！氢致界面失效是常见的金属材料失效原因之一，涉及到石化、海洋、核、航空航天、半导体等重要工业领域。上述发现期望对所有氢致界面失效的防护具有重要的启示意义!

参与该项工作的有博士生解德刚，王章杰博士，孙军教授，李巨教授，马恩教授和单智伟教授。