L’idrogeno danneggia gli acciai. In particolare, gli acciai ad alta resistenza, come quelli utilizzati nella costruzione di ponti, grattacieli e infrastrutture petrolifere e del gas, sono vulnerabili all’infragilimento da idrogeno atomico presente nell’ambiente. I complessi meccanismi alla base di questi fenomeni non sono ancora del tutto compresi. Gli strati di ossido nativo sull’acciaio possono agire come barriere che impediscono all’idrogeno di penetrare nel pezzo. I ricercatori dell’Empa vogliono studiare come l’idrogeno interagisce con i sottili strati di ossido, con un’alta risoluzione spaziale e temporale.
La notte dell’11 settembre 2024, una sezione di 100 metri del ponte Carolabrücke di Dresda è crollata nell’Elba. La causa: crepe nella struttura di tensione in acciaio del ponte. Il colpevole: idrogeno. Il ponte Carolabrücke non è certo la prima struttura a subire gli effetti dell’idrogeno. Altri esempi noti sono il grattacielo londinese "122 Leadenhall Street", noto nel linguaggio popolare come "Cheesegrater", e la costruzione parziale del Bay Bridge di San Francisco, dove il cedimento dei bulloni d’acciaio ha comportato costi di ristrutturazione per milioni.
Il processo è chiamato infragilimento da idrogeno. Alcuni processi di corrosione in presenza di acqua rilasciano idrogeno atomico - l’elemento più piccolo della tavola periodica - sulla superficie dei componenti in acciaio. Grazie alle sue dimensioni ridotte, l’idrogeno si diffonde nell’acciaio, dove favorisce la formazione di cricche attraverso vari meccanismi.
È noto fin dal XIX secolo che l’idrogeno attacca i metalli. Tuttavia, i complessi meccanismi alla base dell’infragilimento da idrogeno non sono stati finora pienamente compresi, nonostante i numerosi studi. I ricercatori dell’Empa del Laboratorio di tecnologie di assemblaggio e corrosione stanno ora studiando un aspetto dell’infragilimento da idrogeno che finora ha ricevuto poca attenzione: l’interazione dell’idrogeno con lo strato di ossido nativo dell’acciaio.
Lo strato di ossido nativo, noto anche come strato di passivazione, è un sottile strato che si forma naturalmente sulla superficie della maggior parte dei metalli e delle leghe. Conferisce agli acciai inossidabili la loro resistenza alla corrosione. Il tipo e la composizione di questo strato, spesso pochi nanometri, varia da un acciaio all’altro. Alcuni ossidi sono molto più stabili e resistenti all’idrogeno di altri. Proteggono meglio l’acciaio dall’infragilimento. Questo è ciò che vogliono studiare le ricercatrici dell’Empa Chiara Menegus e Claudia Cancellieri. Stanno prestando particolare attenzione all’interfaccia tra il metallo e il suo strato di ossido. "L’idrogeno si accumula sempre nei materiali dove c’è disordine", spiega Chiara Menegus, dottoranda. "L’interfaccia tra il metallo e l’ossido è un luogo di questo tipo.
La ricerca sull’idrogeno nell’acciaio è una sfida. I metodi di analisi standard non sono in grado di rilevare questo elemento leggero. Gli esperimenti devono inoltre essere condotti escludendo tutti gli altri fattori ambientali, come l’ossigeno e l’umidità, altrimenti si verificano interazioni complesse e processi di corrosione che mascherano l’influenza dell’idrogeno. L’ultima grande sfida è l’interfaccia stessa: "È difficile studiare un’interfaccia nascosta all’interno del materiale senza distruggere il campione", spiega Claudia Cancellieri, responsabile del gruppo di ricerca presso il Laboratorio di tecnologie di assemblaggio e corrosione.
I ricercatori stanno affrontando queste sfide utilizzando un set-up sperimentale innovativo. Durante il primo anno di dottorato, Chiara Menegus ha sviluppato una cella elettrochimica in cui il campione di acciaio è fissato. L’acqua si trova su un lato del campione e l’argon, un gas raro inerte, sull’altro. Applicando una tensione elettrica, l’idrogeno atomico viene generato dall’acqua. L’idrogeno si diffonde attraverso il campione sottile fino a raggiungere lo strato di ossido sul lato opposto e interagire con l’ossido nativo. "In questo modo, possiamo isolare l’interazione dell’idrogeno atomico con l’ossido nativo da altre influenze ambientali", spiega Chiara Menegus. Tutte le fasi, dall’assemblaggio della cella all’analisi del campione, si svolgono in un’atmosfera protettiva, in una scatola a guanti.
Per caratterizzare i campioni, i ricercatori utilizzano una tecnica di analisi unica in Svizzera: la spettroscopia fotoelettronica a raggi X duri (HAXPES) (vedi riquadro). Questo metodo di spettroscopia utilizza raggi X ad alta energia per determinare la natura e lo stato chimico degli atomi di un materiale, non solo sulla superficie ma fino a 20 nanometri di profondità - abbastanza per catturare lo strato di ossido, spesso circa cinque nanometri, e l’interfaccia con l’acciaio sottostante.
Naturalmente, l’idrogeno stesso non può essere rilevato direttamente, ma i ricercatori sono già riusciti a dimostrare chiaramente i suoi effetti sull’intero strato di ossido. "I primi test mostrano che l’idrogeno degrada lo strato di ossido protettivo", spiega Chiara Menegus. Ora vuole studiare gli ossidi su diverse leghe di ferro e cromo e su alcuni acciai comuni. In seguito, in collaborazione con il laboratorio di fisica dei fasci di ioni del Politecnico di Zurigo, i ricercatori determineranno direttamente il contenuto di idrogeno nei campioni, in tempo reale, utilizzando un complesso metodo di accelerazione delle particelle. "Speriamo di comprendere meglio l’effetto dell’idrogeno sugli strati di ossido nativo e di trovare forme di ossido particolarmente resistenti", riassumono Chiara Menegus e Claudia Cancellieri. Le loro scoperte potrebbero portare alla costruzione di ponti più resistenti e di migliori infrastrutture per lo stoccaggio e il trasporto dell’idrogeno verde.
HAXPES è l’acronimo di Hard X-ray Photoelectron Spectroscopy. Questo metodo di analisi si basa sull’effetto fotoelettrico, per la cui scoperta Albert Einstein ha ricevuto il premio Nobel per la fisica nel 1921. I raggi X "strappano" gli elettroni dal materiale, consentendo di trarre conclusioni sulla natura chimica del campione. Mentre la tradizionale spettroscopia di fotoelettroni a raggi X si limita alla superficie del materiale, la versione "dura" - HAXPES - penetra molto più in profondità nel materiale utilizzando radiazioni ad alta energia, consentendo una caratterizzazione precisa delle strutture multistrato e delle interfacce interne. L’HAXPES trova applicazione nello sviluppo di componenti microelettronici, batterie allo stato solido e film sottili funzionali, oltre che nella ricerca sulla catalisi e sulla corrosione. L’unico impianto in Svizzera si trova nel laboratorio di assemblaggio e tecnologia della corrosione dell’Empa.
