„Wir haben die Wasserstoffaufnahme in Echtzeit verfolgt“

In einer gemeinsamen interdisziplinären Studie haben MLZ-Forscherinnen in Echtzeit beobachtet, wie Wasserstoff in dünne Metallschichten eindringt. Hauptautorin, Dr. Laura Guasco, und ihre Kollegin und Co-Autorin, Dr. Sabine Pütter, erklären im Interview, warum ihre Ergebnisse wichtig sind.

Laura Guasco am Instrument NREX des MLZ. © Jan Greune, MCQST

Laura Guasco am Instrument NREX des MLZ. © Jan Greune, MCQST

Was wolltet Ihr mit Euren Experimenten herausfinden?

Laura: Wir haben uns folgende Frage gestellt: Was macht ein Wasserstoffatom, wenn es in das Metall Niob eindringt?

Warum ist es wichtig zu wissen, was mit Wasserstoff in Niob passiert?

Laura: Wir können jetzt in sehr genau sagen, was passiert, wenn Wasserstoff in die Schicht hineinkommt. Das ist zum Beispiel wichtig für Sensoren, Materialen, die Wasserstoff speichern sollen oder sogar Fusionsreaktoren, wo Wasserstoff in Materialien eindringt und dadurch ihre Eigenschaften verändert. Niob war natürlich nur ein Modell für andere sogenannte Übergangsmetalle, aber es kommt auch in einigen Legierungen vor.

Was ist neu an Eurer Studie?

Laura: Wir wissen bereits, wie es final aussieht, wenn Wasserstoff in ein anderes Material eindringt. Es verändert sich zum Beispiel die Dicke des Materials, macht es brüchig, setzt die Qualität herab und schlimmstenfalls können sogar Risse auftreten. Jedoch war es bisher schwierig, den Prozess des Eindringens zu beobachten. Und das haben wir geschafft.

Sabine Pütter an der Molekularstrahlepitaxie-Anlage. © Bernhard Ludewig, FRM II / TUM

Sabine Pütter an der Molekularstrahlepitaxie-Anlage. © Bernhard Ludewig, FRM II / TUM

Was konntet Ihr beobachten?

Laura: Wir haben tatsächlich die Wasserstoffaufnahme in Echtzeit verfolgt. Wir entdeckten vier verschiedene Stadien, die alle nacheinander auftreten. Erst dringt der Wasserstoff über bereits bestehende Hohlräume im Atomgitter in das Material ein. Aus diesen Hohlräumen dringt Wasserstoff in die Körner ein und verändert die Kristallstruktur des Materials. Das Material dehnt sich aus, da sich der Abstand zwischen den Kristallebenen vergrößert. Diese Ausdehnung löst große Spannungen aus, die sich in Verformungen äußern. Da nun neue Hohlräume entstanden sind, dringt schließlich noch mehr Wasserstoff in die dünne Schicht ein.

Ihr habt für diese Studie extra Proben entwickelt. Was macht sie so besonders?

Sabine: Wir haben sie bei uns am MLZ hergestellt mit unserem Aufbau der Molekularstrahlepitaxie (MBE). Da musste ich mir schon den Kopf zerbrechen, um das vorzubereiten: Ich überlegte, wie ich die Proben so gestalte, dass sie magnetisch und gleichzeitig sichtbar für Neutronen und Röntgenstrahlen sind. Und natürlich müssen sie rein sein und die nötige Kristallstruktur aufweisen. Es ist wie beim Kuchenbacken: Jeder kann es, aber die Qualität ist sehr unterschiedlich.

Warum habt Ihr gleichzeitig Neutronen und Röntgenstrahlen verwendet?

Laura: Das ist das einzigartige am Instrument NREX: Man kann dort gleichzeitig Neutronen und Röntgenstrahlen nutzen. Das sind zwei komplementäre Methoden: Neutronen sind sehr sensitiv gegenüber Wasserstoffatomen, Röntgen wiederum sind umso sensitiver, je schwerer die chemischen Elemente, wie die Metalle sind. Das ist also eine Messung, die man nur an einem Forschungsreaktor wie dem FRM II machen kann.

Inwieweit ist die Studie ein gutes Beispiel für die Zusammenarbeit der Partner am MLZ?

Sabine: Das Instrument NREX wird vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart betrieben, wo Laura Post-Doktorandin ist. Ihre Kollegen, Thomas Keller und Franz Tralmer, haben die Zelle für die Messungen entwickelt. Ich habe die Proben designt und arbeite am Forschungszentrum Jülich am MLZ. Weitere Röntgenmessungen haben die Kollegen Dr. Markos Skoulatos und Bastian Veltel vom Physiklabor der Technischen Universität München hier am MLZ gemacht.