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Lorsque l'acier entre en contact avec de l'hydrogène, il se produit une fragilisation par l'hydrogène. Grâce à sa petite taille, l'hydrogène se diffuse dans l'acier, où il favorise la formation de fissures par différents mécanismes. Cette réaction est connue depuis longtemps, mais les nombreux mécanismes complexes ne sont pas encore entièrement élucidés. Des chercheuses de l'Empa souhaitent maintenant étudier un aspect de la fragilisation par l'hydrogène qui, selon l'Empa, n'a reçu que très peu d'attention jusqu'à présent : l'interaction de l'hydrogène avec la couche d'oxyde dite native sur l'acier. Il s'agit d'étudier pourquoi certaines couches d'oxyde protègent mieux que d'autres contre la fragilisation. L'étude est réalisée à l'aide d'une cellule électrochimique développée en interne, dans laquelle l'interaction entre l'hydrogène et l'oxyde peut être isolée des autres influences environnementales. Ensuite, les échantillons sont examinés par spectroscopie photoélectronique aux rayons X durs. Leurs conclusions devraient conduire à la construction de ponts plus durables et à de meilleures infrastructures pour le stockage et le transport de l'hydrogène vert.
La couche d'oxyde natif, également appelée couche de passivation, est une fine couche qui se forme naturellement à la surface de la plupart des métaux et alliages. Elle confère aux aciers inoxydables leur résistance à la corrosion. Le type et la composition de cette couche, épaisse de quelques nanomètres seulement, varient d'un acier à l'autre. Certains oxydes sont nettement plus stables et résistants à l'hydrogène que d'autres. Ils protègent mieux l'acier contre la fragilisation. C'est ce que veulent étudier les chercheuses de l'Empa Chiara Menegus et Claudia Cancellieri. Elles accordent une attention particulière à l'interface entre le métal et sa couche d'oxyde. Selon Menegus, l'hydrogène s'accumule dans le matériau là où règne le désordre, et l'interface entre le métal et l'oxyde est un tel endroit.
Selon l'Empa, la recherche sur l'hydrogène dans l'acier est exigeante. Les expériences devraient avoir lieu en excluant tous les autres facteurs environnementaux tels que l'oxygène et l'humidité, car sinon des interactions complexes et des processus de corrosion apparaîtraient et masqueraient l'influence de l'hydrogène. Selon les chercheuses, l'interface elle-même représente également un défi: «Il est difficile d'étudier une interface cachée à l'intérieur du matériau sans détruire l'échantillon», explique Claudia Cancellieri.
Les chercheuses souhaitent relever ces défis avec un dispositif expérimental innovant. Au cours de sa première année de doctorat, Chiara Menegus a développé une cellule électrochimique dans laquelle l'échantillon d'acier est fixé. L'eau est placée d'un côté de l'échantillon, tandis que l'argon, un gaz rare inerte, est placé de l'autre côté. En appliquant une tension électrique, de l'hydrogène atomique est généré à partir de l'eau. Il se diffuse à travers l'échantillon fin jusqu'à ce qu'il atteigne la couche d'oxyde sur le côté opposé et interagisse ici avec l'oxyde natif. «Nous pouvons ainsi isoler l'interaction de l'hydrogène atomique avec l'oxyde natif des autres influences environnementales», explique Menegus. Enfin, toutes les étapes - de l'assemblage de la cellule à l'analyse de l'échantillon - se déroulent sous atmosphère protectrice.
Pour la caractérisation des échantillons, les chercheuses souhaitent utiliser la spectroscopie photoélectronique à rayons X durs (en anglais «Hard X-ray Photoelectron Spectroscopy», en abrégé HAXPES). Cette méthode de spectroscopie utilise des rayons X de haute énergie pour déterminer la nature et l'état chimique des atomes dans un matériau (jusqu'à une profondeur de 20 nanomètres). Cela suffit pour détecter la couche d'oxyde d'environ cinq nanomètres d'épaisseur ainsi que l'interface avec l'acier qui se trouve en dessous.
Si cette méthode ne permet pas de détecter directement l'hydrogène lui-même, les chercheuses ont déjà pu démontrer clairement ses effets sur l'ensemble de la couche d'oxyde. «Les premiers essais montrent que l'hydrogène dégrade la couche d'oxyde protectrice», explique Menegus. Elle veut maintenant étudier les oxydes sur différents alliages fer-chrome ainsi que sur quelques aciers courants. Ensuite, en collaboration avec le «Ion Beam Physics Lab» de l'ETH Zurich, les chercheuses détermineront directement la teneur en hydrogène dans les échantillons - en temps réel, avec une méthode d'accélérateur de particules. «Nous espérons ainsi mieux comprendre l'effet de l'hydrogène sur les couches d'oxyde natives et trouver des formes d'oxyde particulièrement résistantes», résument Menegus et Cancellieri.
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