Para ilmuwan memecahkan ‘jalan pintas kuantum’ yang mengendalikan perilaku hidrogen dalam vanadium
Para ilmuwan di Institute of Industrial Science (IIS) di Universitas Tokyo telah mengungkap peran simetri kristal dalam perilaku kuantum hidrogen. Temuan ini akan membantu dalam merancang bahan generasi baru yang akan membentuk fase berikutnya dari teknologi energi ramah lingkungan yang menggunakan hidrogen. Peralihan dari bahan bakar fosil telah menyebabkan peningkatan teknologi energi terbarukan seperti angin dan surya. Meskipun negara-negara telah banyak berinvestasi dalam hal ini, ada beberapa wilayah di mana sumber energi yang bersifat intermiten tersebut tidak dapat dikerahkan. Energi yang dihasilkan dari angin dan matahari sangat bagus untuk memelihara jaringan listrik dan untuk keperluan rumah tangga sehari-hari, namun untuk aplikasi industri tugas berat, diperlukan sumber energi alternatif. Hidrogen disebut-sebut sebagai jawaban atas permasalahan ini, karena dapat dibakar seperti bahan bakar fosil untuk menghasilkan energi dalam jumlah besar namun tanpa emisi karbon. Namun, bahan bakar yang sangat mudah terbakar juga menimbulkan risiko keselamatan selama penyimpanan dan transportasi. Jika hidrogen akan menggantikan bahan bakar fosil untuk penggunaan sehari-hari pada kendaraan penumpang atau bahkan untuk aplikasi industri skala besar, maka hidrogen perlu disimpan dan diangkut dengan cara yang sangat aman. Bekerja dengan vanadium Selama bertahun-tahun, para ilmuwan telah menentukan bahwa vanadium adalah kandidat yang menjanjikan untuk penyimpanan hidrogen yang aman. Ketika digunakan dalam paduan solid-state, vanadium mudah menyerap hidrogen. Perkiraan menunjukkan bahwa logam tersebut dapat menahan hidrogen hingga 3,8 persen dari beratnya. Hal ini terjadi karena molekul hidrogen (H2) terbelah di dalam paduan solid-state dan meluncur ke ruang kosong di dalam struktur kisi kristal paduan tersebut. Kemampuan menahan vanadium sangat kuat sehingga para ilmuwan merekomendasikan untuk mencampurkan logam lain seperti besi, titanium, dan kromium dengan paduan ini, sehingga hidrogen dapat diperoleh kembali bila diperlukan. Meskipun banyak yang diketahui tentang vanadium, para ilmuwan belum mampu menjelaskan perilaku variabel yang ditunjukkan hidrogen dengan adanya vanadium. Dengan menggabungkan pengukuran struktur hidrogen dan difusi dengan perhitungan mekanika kuantum di dalam struktur kristal vanadium, para peneliti di IIS menemukan bagaimana struktur kisi kristal vanadium mengontrol perilaku hidrogen di dalamnya. Apa yang ditemukan para peneliti? Tim ilmuwan menemukan bahwa atom hidrogen berpindah antar ruang interstisial di dalam kisi kristal. Terkadang, mereka melakukan ini dengan berperilaku seperti partikel klasik yang harus mengatasi hambatan energi antar lokasi yang berdekatan. Kadang-kadang, atom mengambil ‘jalan pintas kuantum’ dan menerobos situs tersebut, bergerak seperti gelombang. “Hasil kami menunjukkan bahwa simetri kristal adalah kunci untuk mengendalikan perilaku kuantum hidrogen,” jelas Takahiro Ozawa, peneliti di IIS, yang terlibat dalam penelitian ini. “Struktur yang sangat simetris memungkinkan hidrogen untuk melakukan terowongan, sementara struktur yang terdistorsi menekan efek ini.” Menurut tim peneliti, ketika konsentrasi hidrogen rendah, kristal vanadium mempertahankan struktur simetrisnya, memungkinkan atom hidrogen untuk menembusnya. Ketika konsentrasi hidrogen meningkat, kristal menjadi terdistorsi, memaksa hidrogen berperilaku lebih seperti partikel klasik. “Simetri kristal adalah saklar mendasar yang menghidupkan atau mematikan perilaku kuantum,” tambah Katsuyuki Fukutani, profesor fisika permukaan dan antarmuka di IIS, dalam siaran persnya. “Dalam struktur simetris, hidrogen menemukan jalur setara yang memungkinkannya melakukan terowongan antar lokasi.” “Jika simetri tersebut terdistorsi – seperti yang terjadi pada konsentrasi hidrogen yang lebih tinggi – maka terowongan akan tertekan, sehingga memaksa hidrogen untuk bergantung pada energi panas untuk berpindah antar lokasi.” Mengetahui bagaimana struktur vanadium memengaruhi penyimpanan hidrogen dapat membantu dalam merancang material baru yang memungkinkan perilaku kuantum hidrogen dan membawa sumber energi ramah lingkungan dengan aman serta menandai masa depan energi ramah lingkungan.
Diterbitkan : 2026-07-15 09:28:00
sumber : interestingengineering.com
