图 金属晶格中间隙固溶氢的微观解析研究

　　在国家自然科学基金项目（批准号：52571066、U24B2026)等资助下，北京科技大学庞晓露教授、石荣建副教授团队与合作者成功实现了面心立方合金多相体系中间隙固溶氢的直接原子级可视化成像与高精度定量解析，攻克了历经一个半世纪未能直接观测金属晶格固溶氢的历史性难题，不仅为抗氢脆、高储氢先进金属材料的按需设计构筑了理论根基，更为面向未来氢能技术和核聚变材料的研制提供了全新路径。相关研究成果以“金属晶格中间隙固溶氢的微观解析（Towards observing interstitial hydrogen in solution in metal lattices）”为题，于2026年11月5日在《自然》（Nature）上在线发表。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-11238-4。

　　作为元素周期表首位、宇宙中丰度最高的元素，氢以其极高的质量能量密度，成为双碳背景下清洁能源绿色转型的重要驱动力。无论是在氢能储运系统中诱发金属与合金断裂的氢脆现象，还是核裂变反应堆包壳锆合金中氢化物的析出，其微观本质均归结为氢原子在金属中的占位与反应。厘清氢与临氢金属材料的交互作用规律，是攻克未来氢能与核能关键技术全链条材料挑战的科学命题。氢在金属中主要以间隙固溶、氢化物及氢陷阱三种状态存在，其中氢化物及氢陷阱已获得相对广泛的研究。然而，作为最基础、最活跃的存在形式——金属内部晶格中的间隙固溶氢，由于其固溶度极低、扩散速率极高，直接观测它成为更严峻的科学挑战。

　　针对此，研究团队利用面心立方（FCC）合金晶格本征的高氢溶解度、低氢扩散速率这一天然优势，将其作为锁定固溶氢的屏障，并联合引入氘（氢同位素）示踪技术与冷冻三维原子探针技术（cryo-APT），从动力学上限制固溶氢的迁移，最终在多主元合金中实现了间隙固溶氢的直接观察解析。通过对含有不同相结构多主元合金进行充氘后冷冻APT表征，研究团队绘制出金属晶格中间隙氢微观空间选择性分布的原子级可视化图谱：在单相CoCrNiFeMn合金中，cryo-APT实现了整体氢固溶浓度达1.3 at.%（约473 wt. ppm）的定量捕捉。三维原子结构重构图谱结果表明，氘呈现出与FCC基体合金元素完全随机固溶的分布特征，在原子尺度直观印证了间隙固溶理论。在双相(CoCrNi)₉₄Al₃Ti₃合金及多相双析出镍基合金中，氘表现出强烈的相选择性，其高度富集并固溶于基体内部析出的共格L1₂ Ni₃(Al, Ti)纳米析出相中，但在D0₂₂ Ni₃Nb共格纳米析出相中则呈现出显著的贫化分布。通过构建多表征证据链，证实了合金体系极低的空位缺陷或其他晶体缺陷浓度，表明探测到的氘原子在L1₂相中占据主导的是晶格间隙位点。实验观测到的这一系列固溶氢的分布规律，表明金属中间隙固溶氢的分布在材料内部具有明显的选择性，这主要是由化学亲和力与晶体结构的本征属性所决定。

　　这一里程碑式成果有力回答了多相合金中氢分配行为这一基础科学问题，为破解一系列关键工程应用瓶颈注入了全新的理论源泉，将深刻变革未来临氢/涉氢关键金属材料的设计范式：在氢能储运系统面对金属氢脆挑战时，指明了协同多相合金氢固溶能力设计抗氢脆创新路径；在谋求固态储氢材料的优化设计时，为按需构筑高储氢容量的合金提供了新的设计路线；在关乎国家战略的先进核能领域，解锁了利用固溶氢的相选择性抑制核裂变堆包壳氢化物析出、调控核聚变堆氢同位素滞留效应的新可能。在双碳背景下，这一微观本质的厘清，为面向未来氢能与核能应用的高性能金属材料设计提供了关键的科学判据，具有重要的战略意义。