《Nature》子刊：冷冻原子探针技术助力氢能材料研究

悉尼大学Julie Cairney团队在《Nature Reviews Clean Technology》发表专题文章：冷冻原子探针技术助力氢能材料研究

近日，悉尼大学（The University of Sydney）澳大利亚显微分析中心（Australian Centre for Microscopy and Microanalysis, ACMM）的Julie Cairney教授团队在《Nature Reviews Clean Technology》发表专题文章《Cryogenic atom probe tomography for mapping materials》，系统介绍了团队近年来发展的冷冻原子探针技术（Cryogenic Atom Probe Tomography, Cryo-APT）及其在氢能材料研究中的应用进展。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s44359-026-00182-1

聚焦氢能时代的重要挑战

随着全球能源结构向低碳化转型，氢能被视为未来最具潜力的清洁能源之一。然而，氢原子进入金属后可能引发“氢脆”现象，导致材料强度和韧性急剧下降，从而影响氢气储运设备和基础设施的安全性[1]。如何直接观察氢在材料内部的真实分布，以及揭示氢与材料微观结构之间的相互作用而导致氢脆的机制，长期以来一直是国际材料科学领域的重要挑战[2]。

Cryo-APT：实现氢原子的直接观察

针对这一难题，悉尼大学Julie团队发展了一套完整的冷冻原子探针分析流程（Cryo-APT）[3, 4]。该技术结合低温制样、低温转移和三维原子探针分析，能够在氢扩散和逸出之前将其“冻结”在材料内部，实现对氢及其同位素氘的纳米尺度三维表征。相比传统方法，Cryo-APT能够更真实地保留材料中的氢分布状态，从而揭示氢与材料内部微观缺陷之间的相互作用。

推动抗氢脆材料设计

近年来，在 Julie Cairney 教授和 Eason Chen 教授（现任职于新加坡南洋理工大学）的指导下，该团队利用Cryo-APT技术成功观察了氢在多种工程合金关键微观结构中的分布行为，包括空位、位错、晶界和第二相颗粒等重要缺陷结构[3, 5]。这些研究成果为理解氢脆机理、识别有效氢陷阱以及设计新一代抗氢脆材料提供了重要科学依据[6, 7]，也为未来氢能基础设施材料开发提供了新的研究思路。

从氢能走向更广泛的应用领域

除氢能材料研究外，Cryo-APT还展现出广阔的发展前景。对于电池材料、生物样品以及对环境极为敏感的新型功能材料，该技术有望实现传统表征方法难以获得的高分辨率三维结构与化学组成分析。研究团队相信，随着低温制样与原位转移技术的不断发展，Cryo-APT未来将在能源材料、生物医学和先进制造等多个领域发挥越来越重要的作用[8, 9]。

参考文献

[1] Y.-S. Chen, C. Huang, P.-Y. Liu, H.-W. Yen, R. Niu, P. Burr, K.L. Moore, E. Martínez-Pañeda, A. Atrens, J.M. Cairney, Hydrogen trapping and embrittlement in metals – A review, International Journal of Hydrogen Energy 136 (2025) 789-821.

[2] J. Cairney, Atoms on the move-finding the hydrogen, Science 355(6330) (2017) 1128-1129.

[3] Y.S. Chen, H. Lu, J. Liang, A. Rosenthal, H. Liu, G. Sneddon, I. McCarroll, Z. Zhao, W. Li, A. Guo, J.M. Cairney, Observation of hydrogen trapping at dislocations, grain boundaries, and precipitates, Science 367(6474) (2020) 171-175.

[4] Y.-S. Chen, P.-Y. Liu, R. Niu, A. Devaraj, H.-W. Yen, R.K.W. Marceau, J.M. Cairney, Atom Probe Tomography for the Observation of Hydrogen in Materials: A Review, Microscopy and Microanalysis 29(1) (2023) 1-15.

[5] P.Y. Liu, B. Zhang, R. Niu, S.L. Lu, C. Huang, M. Wang, F. Tian, Y. Mao, T. Li, P.A. Burr, H. Lu, A. Guo, H.W. Yen, J.M. Cairney, H. Chen, Y.S. Chen, Engineering metal-carbide hydrogen traps in steels, Nat Commun 15(1) (2024) 724.

[6] C. Huang, C.J. Cui, R.M. Niu, F.H. Lu, C.Y. Wu, X.X. Zhu, H.Z. Lu, Y.Q. Zhang, P.Y. Liu, B.S. Dong, Y.H. Sun, H.J. Wang, W. Li, H.W. Yen, A.M. Guo, J.M. Cairney, E. Martínez-Pañeda, E.Y.S. Chen, Strong hydrogen trapping by tangled dislocations in cold-drawn pearlitic steels, Acta Materialia 296 (2025) 121231.

[7] R. Niu, H. Li, P.-Y. Liu, P. Burr, Y. Feng, H.-W. Yen, C. Huang, Y.-H. Sun, M. Ma, A. Guo, H. Lu, Y.-S. Chen, J.M. Cairney, Hydrogen-enhanced deformation in pearlite, Acta Materialia 281 (2024) 120327.

[8] Y.S. Chen, M.J. Griffith, J.M. Cairney, Cryo Atom Probe: Freezing atoms in place for 3D mapping, Nano Today 37 (2021) 101107.

[9] Z.Y. Zhou, Z.Q. Wang, R.M. Niu, P.Y. Liu, C. Huang, Y.H. Sun, X.T. Wang, H.W. Yen, J.M. Cairney, Y.S. Chen, Cryogenic atom probe tomography and its applications: a review, Microstructures 3(4) (2023) 2023043.

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。

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