- 東京大學的研究揭示了晶體對稱性對氫量子行為的影響。
- 氫被視為替代化石燃料的清潔能源，但儲存和運輸存在安全風險。
- 釩被認為是氫安全儲存的有前景材料，能夠輕易吸收氫。
- 研究顯示晶體對稱性是控制氫量子行為的關鍵因素。
東京大學工業科學研究所的科學家們揭示了晶體對稱性在氫的量子行為中的作用。這一發現將有助於設計新一代材料，進而推動利用氫的清潔能源技術的下一階段。隨著各國逐步擺脱化石燃料，風能和太陽能等可再生能源技術逐漸崛起。儘管各國在這些領域投入了大量資金，但在某些情況下，這些間歇性能源來源無法被應用。風能和太陽能產生的能源非常適合維持電網以及日常家庭使用，但對於重型工業應用來説，仍然需要替代能源。
氫被視為解決這些問題的答案，因為它可以像化石燃料一樣燃燒，產生大量能量，但不會產生任何碳排放。然而，氫作為一種高度易燃的燃料，在儲存和運輸過程中也帶來了安全風險。如果氫要取代化石燃料在乘用車日常使用，甚至在大規模工業應用中，必須以極為安全的方式進行儲存和運輸。
與釩的合作多年來，科學家們已確定釩是一種有前景的氫安全儲存候選材料。當用於固態合金中時，釩能夠輕易吸收氫。估計這種金屬能夠儲存其重量的 3.8％的氫。這是因為氫分子（H2）在固態合金內部分裂，並滑入合金晶格結構中的空隙。釩的儲存能力非常強，以至於科學家們建議將鐵、鈦和鉻等其他金屬與這些合金混合，以便在需要時能夠回收氫。儘管對釩的認識已相當豐富，但科學家們尚未能解釋氫在釩存在下所表現出的變化行為。
氫的儲存與釩的關係
通過結合氫結構和擴散的測量與釩晶體結構中的量子力學計算，東京大學工業科學研究所的研究人員發現了釩的晶體格構造如何控制氫的行為。
研究人員發現，氫原子在晶體格內的間隙之間跳躍。有時，它們的行為如同一個經典粒子，必須克服相鄰位置之間的能量障礙。某些時候，原子會採取“量子捷徑”，通過位置進行隧穿，運動方式更像是一種波動。參與這項工作的研究助理小澤貴弘表示：「我們的結果顯示，晶體對稱性是控制氫量子行為的關鍵。」他補充道：「高度對稱的結構使氫能夠隧穿，而變形的結構則抑制這一效應。」根據研究團隊的觀察，當氫濃度較低時，釩晶體保持其對稱結構，使氫原子能夠隧穿。
隨著氫濃度的增加，晶體變得扭曲，迫使氫的行為更像經典粒子。
晶體對稱性對氫行為的影響
福田勝之教授在新聞稿中指出：「晶體對稱性是開啟或關閉量子行為的基本開關。在對稱結構中，氫能夠找到等效的通道，使其能夠在位置之間隧穿。」他還提到：「如果扭曲了這種對稱性——如在較高氫濃度下發生的情況——隧穿將受到抑制，迫使氫依靠熱能在位置之間跳躍。」瞭解釩的結構如何影響氫儲存，可以幫助設計出新的材料，讓氫的量子行為得以實現，安全地攜帶清潔能源，並開創清潔能源的未來。
該研究成果已發表在《自然通訊》期刊上。
晶體結構如何影響氫的量子行為
東京大學的研究強調了晶體對稱性在氫儲存過程中的重要性，這對於氫作為清潔能源的應用至關重要。隨著全球對可再生能源的需求增加，氫的安全儲存和運輸成為一個挑戰。研究結果表明，通過調整釩的晶體結構，可以優化氫的量子行為，從而提高其在工業應用中的可行性。這一發現不僅有助於理解氫的物理特性，還可能推動新材料的設計，進一步促進氫能技術的發展。