科學(xué)家一直在尋找質(zhì)子載體以開發(fā)燃料電池等可再生能源技術(shù)，而麻省理工研究人員開發(fā)的新物理模型能更好預(yù)測質(zhì)子在金屬氧化物中的遷移效率，這將有助于開發(fā)以質(zhì)子作為電荷載體的新材料與技術(shù)，而非依賴目前廣泛使用的鋰。

當(dāng)前電動汽車與可再生能源電站對鋰的需求激增導(dǎo)致其價格上漲。除了成本因素，鋰材料還存在安全與環(huán)境隱患，這促使科學(xué)家尋找更安全、更具成本效益的電荷載體。燃料電池和電解槽技術(shù)的發(fā)展使質(zhì)子成為關(guān)鍵電荷載體。質(zhì)子僅由氫原子核構(gòu)成，相比其他金屬離子是最簡單的電荷載體，但其應(yīng)用成效取決于它們在材料中的遷移效率。

目前質(zhì)子僅能在400°C以上的金屬氧化物中作為電荷載體，科學(xué)家尚未在低溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)質(zhì)子傳導(dǎo)，這使得麻省理工團(tuán)隊(duì)的新模型具有重要價值。質(zhì)子傳導(dǎo)原理在于質(zhì)子因不含電子，傾向于嵌入鄰近離子的電子云中實(shí)現(xiàn)離子間跳躍。在金屬氧化物中，質(zhì)子會嵌入氧離子形成共價鍵；當(dāng)遷移至相鄰氧離子時則通過氫鍵實(shí)現(xiàn)，這個過程中共價氫氧鍵會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，使質(zhì)子無法退回原位。

麻省理工材料科學(xué)與工程系教授比爾蓋·伊爾迪茲表示："質(zhì)子導(dǎo)體在清潔電力、清潔燃料和清潔工業(yè)化學(xué)合成等能源轉(zhuǎn)換技術(shù)中至關(guān)重要，同時能源高效的類腦計(jì)算也需要可在室溫工作的無機(jī)可擴(kuò)展質(zhì)子導(dǎo)體。"由其帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，氧化物離子亞晶格的柔性對質(zhì)子傳導(dǎo)至關(guān)重要。

研究團(tuán)隊(duì)將該指標(biāo)命名為"氧-氧漲落"，用于測量有限溫度下晶體中聲子引起的氧離子間距變化。他們還構(gòu)建了七種影響質(zhì)子遷移的特征數(shù)據(jù)集，并訓(xùn)練人工智能模型預(yù)測材料對質(zhì)子的響應(yīng)。該模型顯示氫鍵長度和氧亞晶格柔性是決定質(zhì)子遷移的關(guān)鍵因素：氫鍵越短、氧離子鏈柔性越強(qiáng)，質(zhì)子傳導(dǎo)性能越佳。

這不僅有助于篩選質(zhì)子傳導(dǎo)材料，其數(shù)據(jù)集還能訓(xùn)練生成式AI模型來構(gòu)建理想質(zhì)子傳導(dǎo)材料。伊爾迪茲補(bǔ)充說："谷歌和微軟近期建立的超大規(guī)模材料數(shù)據(jù)庫，可利用我們發(fā)現(xiàn)的規(guī)律進(jìn)行篩選。若現(xiàn)有材料無法滿足參數(shù)要求，還能依據(jù)這些參數(shù)生成新型化合物，這將提升清潔能源轉(zhuǎn)換與低功耗計(jì)算設(shè)備的能效及可行性。"

該研究成果已發(fā)表于《物質(zhì)》期刊。

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