همانطور که از نام آن پیداست، امروزه بیشتر وسایل الکترونیکی از طریق حرکت الکترون ها کار می کنند. اما موادی که می توانند به طور موثر پروتون ها را هدایت کنند – هسته اتم هیدروژن – می توانند کلید تعدادی از فناوری های مهم برای مبارزه با تغییرات آب و هوایی جهانی باشند.
بیشتر مواد معدنی رسانای پروتون در حال حاضر در دسترس هستند، برای دستیابی به رسانایی به اندازه کافی بالا، به دمای نامطلوب بالایی نیاز دارند. با این حال، جایگزین‌های دمای پایین‌تر می‌توانند فناوری‌های مختلفی مانند پیل‌های سوختی کارآمدتر و بادوام‌تر را برای تولید الکتریسیته پاک از هیدروژن، الکترولیزکننده‌ها برای تولید سوخت‌های پاک مانند هیدروژن برای حمل‌ونقل، باتری‌های پروتون حالت جامد، و حتی انواع جدید محاسبات را ممکن کنند. دستگاه های مبتنی بر اثرات یون الکترون
برای سرعت بخشیدن به توسعه سیم های پروتون، مهندسان MIT ویژگی های خاصی از مواد را شناسایی کرده اند که منجر به هدایت سریع پروتون می شود. با استفاده از این صفات به صورت کمی، این تیم 12 نامزد جدید را شناسایی کرد که به عنوان رسانای پروتون سریع نشان می دهند. شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند که این نامزدها بسیار بهتر از مواد موجود عمل می‌کنند، اگرچه هنوز باید به صورت تجربی با هم مطابقت داشته باشند. این تحقیق علاوه بر آشکار ساختن مواد جدید بالقوه، درک عمیق تری در سطح اتمی از نحوه عملکرد چنین موادی نیز ارائه می دهد.
یافته های جدید هستند در مجله شرح داده شده است انرژی و علوم محیطیدر گزارشی توسط بیلگه ییلدیز و ژو لی، استادان MIT، پیوترز زگونس و کنستانتین کلیوکین، و همکارشان سوسینا هایله و دانشجویانش در دانشگاه نورث وسترن، آمده است. یلدیز پروفسور برین ام. کر در گروه های علوم و مهندسی هسته ای و علوم و مهندسی مواد است.
یلدیز توضیح می‌دهد: «سیم‌های پروتون در کاربردهای تبدیل انرژی پاک مانند سلول‌های سوختی، که در آن از هیدروژن برای تولید برق بدون دی اکسید کربن استفاده می‌کنیم، مورد نیاز است. ما می‌خواهیم این فرآیند را به نحو احسن انجام دهیم و بنابراین به موادی نیاز داریم که بتوانند پروتون‌ها را خیلی سریع از طریق چنین دستگاه‌هایی منتقل کنند.»
روش های فعلی تولید هیدروژن، به عنوان مثال تبدیل متان با بخار، مقدار زیادی دی اکسید کربن منتشر می کند. یلدیز می‌گوید: «یکی از راه‌های حذف این امر، تولید الکتروشیمیایی هیدروژن از بخار آب است و این نیاز به رسانای پروتون بسیار خوبی دارد. تولید سایر مواد شیمیایی صنعتی مهم و سوخت‌های بالقوه مانند آمونیاک نیز می‌تواند توسط سیستم‌های الکتروشیمیایی کارآمد که به هادی‌های پروتونی خوب نیاز دارند، انجام شود.
اما بیشتر مواد معدنی که پروتون ها را هدایت می کنند فقط می توانند در دمای 200 تا 600 درجه سانتیگراد (تقریباً 450 تا 1100 فارنهایت) یا حتی بالاتر کار کنند. چنین دماهایی برای حفظ نیاز به انرژی دارند و می توانند باعث تخریب مواد شوند. یلدیز می‌گوید: «حرکت به دمای بالاتر مطلوب نیست، زیرا کل سیستم را چالش‌برانگیزتر می‌کند و دوام مواد به یک مسئله تبدیل می‌شود.» او می‌گوید: “هیچ رسانای پروتون معدنی با دمای اتاق خوب وجود ندارد، امروزه تنها رسانای پروتونی در دمای اتاق یک ماده پلیمری است که برای کاربرد در دستگاه‌های محاسباتی کاربردی نیست، زیرا نمی‌توان آن را به راحتی تا رژیم نانومتری کاهش داد.” .
برای مقابله با این مشکل، تیم ابتدا باید با استفاده از دسته ای از رساناهای پروتون معدنی به نام اسیدهای جامد، درک بنیادی و کمی از نحوه عملکرد رسانش پروتون به دست آورد. او می‌گوید: «ما ابتدا باید بفهمیم که رسانایی پروتون در این ترکیبات معدنی چه چیزی را کنترل می‌کند. در حالی که به پیکربندی اتمی مواد نگاه می‌کردند، محققان یک جفت ویژگی را شناسایی کردند که مستقیماً با پتانسیل مواد برای انتقال پروتون‌ها مرتبط است.
همانطور که یلدیز توضیح می‌دهد، هدایت پروتون ابتدا شامل پرش پروتون از یک اتم اکسیژن دهنده به یک اکسیژن گیرنده است. و سپس محیط باید دوباره سازماندهی شود و پروتون پذیرفته شده را از بین ببرد تا بتواند به گیرنده همسایه دیگری بپرد و اجازه انتشار پروتون در فواصل طولانی را بدهد. او می گوید که این فرآیند در بسیاری از جامدات معدنی رخ می دهد. او می‌گوید فهمیدن اینکه چگونه قسمت آخر کار می‌کند – اینکه چگونه شبکه اتمی خود را مجدداً مرتب می‌کند تا پروتون پذیرفته‌شده را از اتم دهنده اصلی جدا کند – بخش کلیدی این تحقیق بود.
محققان از شبیه سازی های کامپیوتری برای مطالعه دسته ای از مواد به نام اسیدهای جامد استفاده کردند که رسانای پروتون خوبی بیش از 200 می شوند. درجه سلسیوس. این دسته از مواد دارای زیرساختی به نام زیرشبکه گروه پلی آنیون هستند و این گروه ها باید بچرخند و پروتون را از محل اصلی خود دور کنند تا سپس بتواند به مکان های دیگر منتقل شود. محققان توانستند فونون‌هایی را شناسایی کنند که به انعطاف‌پذیری این زیرشبکه، که برای هدایت پروتون ضروری است، کمک می‌کنند. آنها سپس از این اطلاعات برای جستجو در پایگاه‌های اطلاعاتی وسیعی از ترکیبات احتمالی نظری و تجربی در جستجوی مواد رسانای پروتون بهتر استفاده کردند.
در نتیجه، آنها ترکیبات اسیدی جامد را کشف کردند که رسانای پروتونی امیدوارکننده ای هستند و برای کاربردهای مختلف توسعه یافته و تولید شده اند، اما قبلا هرگز به عنوان رسانای پروتون مورد بررسی قرار نگرفته بودند. مشخص شد که این ترکیبات دارای ویژگی‌های انعطاف‌پذیری شبکه هستند. سپس این تیم شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای از نحوه عملکرد مواد خاصی که در غربالگری اولیه خود شناسایی کردند در دمای مناسب انجام دادند تا مناسب بودن آنها به عنوان رسانای پروتون برای پیل‌های سوختی یا سایر کاربردها را تأیید کنند. مطمئناً، آنها شش ماده امیدوارکننده با نرخ‌های هدایت پروتون پیش‌بینی‌شده سریع‌تر از بهترین هادی‌های پروتون اسید جامد موجود پیدا کردند.
یلدیز هشدار می دهد: «در این شبیه سازی ها عدم قطعیت وجود دارد. نمی‌خواهم دقیقاً بگویم رسانایی چقدر بالاتر خواهد بود، اما اینها بسیار امیدوارکننده به نظر می‌رسند.» امیدواریم این امر به میدان آزمایشی انگیزه دهد تا سعی کند آنها را به اشکال مختلف سنتز کند و از این ترکیبات به عنوان رسانای پروتون استفاده کند.
او می گوید که ترجمه این یافته های نظری به ابزارهای عملی ممکن است چندین سال طول بکشد. او می گوید اولین کاربردهای احتمالی سلول های الکتروشیمیایی برای تولید سوخت و مواد اولیه شیمیایی مانند هیدروژن و آمونیاک خواهد بود.
این کار توسط وزارت انرژی ایالات متحده، بنیاد والنبرگ و بنیاد ملی علوم ایالات متحده پشتیبانی شد.
