기계/재료

고체물리연구소, 금속 나노포어의 수소포획 관련 정량적 예측모델 최초로 구축

발행일 : 2019 / 07 / 18

최근 중국과학원 허페이연구원 고체물리연구소 류창쑹(劉長松) 연구팀의 우쉐방(吳學邦)은 캐나다 맥길대학(mcgill university) 쑹쥔(宋俊)과 공동으로 체심입방금속(body centred cubic metal)에서 나노포어(nanopore)의 수소포획 및 응집적 기포형성에 관한 정량적 예측모델을 최초로 구축함으로써 수소유기 손상(Hydrogen-induced injury) 이해 및 신형 수소유기 손상 방지 재료설계에 신뢰성 있는 이론토대 및 도구를 마련했다. 해당 성과는 “Natural Materials”에 게재되었다.

수소는 금속재료의 내부에 쉽게 침투해 재료를 손상시킨다. 예를 들어 자기밀폐 핵융합 원자로 핵심부위에서 연료수소 동위원소는 기타 부품을 보호하는 텅스텐 금속장갑에 매우 쉽게 침투하며 중성자 조사로 인해 생성된 나노포어와 결합해 수소기포를 형성함과 아울러 균열을 발생시킨다. 최종적으로 재료구조 및 사용성능에 치명적 손상을 입혀 융합장치의 안전을 위협한다.

연구팀은 밀도범함수 이론 기반 시뮬레이션 방법으로 원자 규모에서 정확한 수소 및 나노포어 상호작용 데이터를 획득했다. 또한 멀티스케일 시뮬레이션 방법과 결합시킨 거시 규모 시뮬레이션으로 실험 결과를 비교 검증했다. 무광택 나노포어 내벽에 수소가 흡착되는 문제를 해결하기 위해 연구팀은 체심입방금속 텅스텐을 사례로 수소 운동궤적을 분석한 결과 수소는 항상 단일 원자 형태로 일부 특정 위치에 질서있게 흡착함을 발견하였다. 수소가 복잡한 포어 내벽에의 흡착 법칙을 5종 흡착 위치 및 상응한 5개 흡착 에너지 준위로 귀결할 수 있다. 이로써 무광택 나노포어 내벽에의 수소흡착 특성을 정확하게 묘사할 수 있다.

상기 법칙에 근거해 연구팀은 보편성 정량적 모델을 구축했다. 내벽의 수소 에너지는 흡착점의 유형 및 내벽의 수소 면밀도(areal density)에 의해 결정되며 코어부의 수소 에너지는 수소의 체밀도(body density)에 의해 결정된다. 해당 모델로 예측하여 획득한 구조 및 수소포획 에너지는 시뮬레이션 계산 결과와 매우 일치했다.

해당 연구는 수소 및 나노포어 상호작용의 정량적 물리모델을 구축함으로써 수소로 인한 금속재료 손상을 이해하는데 핵심적 인식을 제공했다. 이러한 금속재료는 미래 핵융합 1차벽 장갑에 이용돼 제어가능 핵융합을 실현하는데 도움을 줄 뿐만 아니라 수소차, 항공우주 등 분야에서 매우 중요한 역할을 할 전망이다.