Protony jako nośniki ładunku odgrywają kluczową rolę w zaawansowanych technologiach energetycznych – od ogniw paliwowych i elektrolizerów po innowacyjne układy elektroniczne o niskim poborze mocy. Wydajność tych rozwiązań zależy w dużej mierze od tego, jak sprawnie materiały przewodzą protony, zwłaszcza w niższych temperaturach.
Przełom w przewodnictwie protonowym tlenków metali
Dotychczas tlenki metali wykazywały obiecujące adekwatności przewodzenia protonów powyżej 400°C, jednak uzyskanie wysokiej efektywności w niższych temperaturach było wyzwaniem. Zespół naukowców z Massachusetts Institute of Technology (MIT) stworzył fizyczny model, który pozwala przewidywać ruchliwość protonów w szerokim zakresie tlenków metali.
W opublikowanej pracy badacze sklasyfikowali najważniejsze cechy tlenków metali sprzyjające przewodnictwu protonowemu oraz po raz pierwszy wykazali, jak elastyczność jonów tlenkowych wpływa na efektywność transferu protonów.
Kluczowe cechy dobrego przewodnika protonowego
Nowy model MIT umożliwia ocenę, które cechy materiałów – zarówno strukturalne, chemiczne, jak i dynamiczne – decydują o sprawnym przewodnictwie protonów. Zespół zidentyfikował siedem najważniejszych parametrów, a dwa z nich okazały się kluczowe:
- długość wiązania wodorowego (im krótsza, tym lepsza przewodność),
- elastyczność podsieci jonów tlenowych, opisana metryką „O…O fluctuation”, czyli zmiennością odległości między jonami tlenowymi w wyniku drgań sieci krystalicznej.
Im bardziej elastyczne łańcuchy jonów tlenowych, tym łatwiejszy transfer protonów. To odkrycie może znacząco ułatwić projektowanie i selekcję nowych materiałów do zastosowań energetycznych.
Zastosowania: od ogniw paliwowych po komputery neuromorficzne
Protonowe przewodniki już dziś są wykorzystywane w elektrolizerach do produkcji wodoru oraz ogniwach paliwowych. Coraz większe znaczenie zyskują także w technologiach magazynowania energii (np. baterie protonowe) i w energooszczędnych układach elektronicznych inspirowanych pracą mózgu.
Przewodniki protonowe są ważnymi materiałami w różnych technologiach konwersji energii: do czystej energii elektrycznej, paliw i przemysłowej syntezy chemicznej. Nieorganiczne, skalowalne przewodniki protonowe działające w temperaturze pokojowej są też potrzebne dla energooszczędnych komputerów inspirowanych mózgiem.
– wyjaśnia prof. Bilge Yildiz z MIT, główna autorka publikacji.
Sztuczna inteligencja w poszukiwaniu nowych materiałów
Model opracowany przez MIT może być wykorzystany nie tylko do selekcji istniejących związków, ale także do trenowania narzędzi generatywnej sztucznej inteligencji, które będą projektować nowe, optymalne materiały do przewodnictwa protonów.
Jeśli rozumiemy mechanizm procesu i cechy materiału, które go kontrolują, możemy je dostrajać, by poprawić szybkość tego procesu – w tym przypadku przewodnictwa protonów.
– podkreśla prof. Yildiz.
Badania były wspierane przez amerykański Departament Energii oraz Narodową Fundację Nauki.
Źródło: MIT News
