麻省理工學院（MIT）的研究人員最近發佈了一個新的物理模型，旨在改善對質子在各類金屬氧化物中移動性的預測。這一突破有助於開發以質子作為載流子的全新材料和技術，取代目前廣泛使用的鋰。隨著電動車和可再生能源發電廠對鋰的需求激增，其價格也隨之上漲。除了成本上升外，鋰還引發了安全和環境問題，促使科學家尋求更安全且具成本效益的載流子。
隨著燃料電池和電解槽技術的進步，質子成為了重要的載流子。與其他金屬離子相比，質子是最簡單的載流子，僅由一個氫原子核組成，沒有電子。然而，成功的關鍵在於它們在材料中移動的便利程度。目前，技術發展僅允許質子在金屬氧化物中在高於752°F（約400 °C）的溫度下作為載流子。科學家尚未能在較低溫度下重現這一能力，使得MIT的模型格外重要。
質子的導電機制是由於它們沒有自身的電子，因此傾向於嵌入附近離子的電子雲中，並在一個離子與另一個離子之間跳躍。在金屬氧化物中，質子嵌入氧離子中並形成共價鍵，當它們移動到下一個氧離子時，則利用氫鍵。在這一過程中，共價H-O鍵會旋轉，導致質子無法返回原位。MIT材料科學與工程系的比爾吉·耶爾迪茲（Bilge Yildiz）教授解釋，質子導體是不同能源轉換技術中重要的材料，適用於清潔電力、清潔燃料和清潔工業化學合成。
此外，為了實現能效高的腦啟發計算，還需要在室溫下運行的無機可擴展質子導體。耶爾迪茲教授領導的MIT團隊觀察到，氧離子子晶格的靈活性對質子導電性至關重要，於是決定對不同材料進行量化。他們將這一指標稱為O…O波動，因為它測量的是由晶格中的聲子或集體振動引起的氧離子間距的變化。此外，團隊還創建了一個包含七個能影響質子運動特徵的數據集，並量化了這些特徵的作用，隨後訓練了一個人工智能（AI）模型來預測材料對質子的反應。
根據模型，氫鍵長度和氧子晶格的靈活性是決定質子運動的最重要因素。氫鍵越短，材料轉移質子的能力越強；同樣，氧離子鏈的靈活性越高，質子的導電性也越好。這不僅有助於篩選出有前景的質子傳輸材料，研究人員還相信，他們的數據集可以幫助訓練生成性AI模型，以創造適合質子傳輸的新材料。耶爾迪茲補充道，近期在這一領域生成的龐大材料數據庫，例如谷歌和微軟的數據庫，可以用來篩選我們所發現的這些關係。如果符合這些參數的材料化合物不存在，我們也可以利用這些參數生成新的化合物，從而提高清潔能源轉換和低功耗計算設備的能效和可行性。這項研究成果已於今日發表在期刊《Matter》上。
