L'idrogeno è considerato la fonte di energia del futuro:viene prodotto con l'energia solare e può essere utilizzato per generare calore ed elettricità nelle celle a combustibile. I ricercatori dell'Empa sono ora riusciti a decodificare il movimento degli ioni idrogeno nei cristalli, un passo fondamentale verso una conversione dell'energia più efficiente nell'industria dell'idrogeno di domani.

In qualità di portatori di carica, gli elettroni e gli ioni svolgono il ruolo principale nei dispositivi di accumulo di energia elettrochimica e nei convertitori come batterie e celle a combustibile. La conduttività protonica è cruciale per quest'ultimo; protoni, cioè ioni idrogeno carichi positivamente, sono formati da idrogeno, che viene utilizzato per alimentare la cella a combustibile. Il fisico dell'Empa Artur Braun e Qianli Chen, uno studente di dottorato all'ETH di Zurigo, ha condotto esperimenti di diffusione di neutroni sulla Swiss Spallation Neutron Source (SINQ) presso il Paul Scherrer Institute (PSI) che documentano la mobilità dei protoni nel reticolo cristallino. Nel processo, hanno osservato che i movimenti dei protoni nelle celle a combustibile in ceramica obbediscono a leggi molto più complesse di quanto ipotizzato in precedenza:il movimento dei protoni avviene secondo il cosiddetto modello polaron, come i ricercatori hanno recentemente riportato sulla rinomata rivista Comunicazioni sulla natura .

Per molto tempo, la teoria del polarone sviluppata dal fisico russo ed eventuale premio Nobel Lev Davidovich Landau nel 1933 si applicava solo agli elettroni. Il modello descrive come gli elettroni "si fanno strada" attraverso un cristallo dielettrico e forzano gli atomi "interferenti" fuori posizione, che rallenta gli elettroni. In altre parole, i polaroni sono onde di movimento nel cristallo, la cui diffusione può essere descritta come la traiettoria di una particella. Possono essere deviati e riflessi.

Il polarone elettronico è stato a lungo un pilastro della fisica teorica e la base indiscussa per i calcoli dei modelli applicati nei circoli di esperti. Al contrario, l'esistenza di un polarone di idrogeno - cioè uno ione idrogeno che "salta" da una posizione all'altra - era solo una teoria speculativa fino ad ora. Sebbene i biologi abbiano usato il modello del salto degli atomi di idrogeno per spiegare alcuni processi metabolici, i fisici dello stato solido non consideravano i polaroni di idrogeno come un valido modello esplicativo.

Questo potrebbe ora cambiare:sulla base di esperimenti che utilizzano cristalli di ossido di bario cerico drogato con ittrio e di ossido di bario e zirconio, Braun e Chen sono riusciti a dimostrare l'esistenza del polarone protonico. Allo stato secco, questi cristalli non sono conduttivi. Se sono esposti a un'atmosfera di vapore, però, I gruppi OH si formano all'interno della struttura cristallina. I protoni rilasciati possono quindi muoversi in modo ondulatorio e l'ossido diventa ionicamente conduttivo.

Il calore e l'alta pressione ne sono la prova

Braun e Chen hanno trovato prove di onde ioniche di idrogeno studiando i cristalli in diverse condizioni di alta pressione ea temperature fino a 600 gradi Celsius. La buona connettività dell'Empa nel mondo scientifico è stata fondamentale:i campioni sono stati sottoposti a raggi X sulla sorgente di neutroni del PSI e gli esperimenti ad alta pressione sui cristalli sono stati condotti in collaborazione con i ricercatori della Facoltà di Geoscienze/Geografia dell'Università di Goethe, Francoforte sul Meno.

Il risultato:a temperature comprese tra 220 e 520 gradi, la conduttività aumenta esattamente nella stessa misura prevista nei calcoli del modello per le vibrazioni reticolari del cristallo. I protoni sono quindi inizialmente legati nel reticolo cristallino e iniziano a saltare attraverso il cristallo da un gruppo OH all'altro nel concerto delle vibrazioni del reticolo quando vengono riscaldati. Se il cristallo viene esposto ad alta pressione con uno speciale compattatore, c'è meno spazio per i salti del protone e la conduttività cala di nuovo. Ciò dimostra che il modello polaron si applica sia agli elettroni che ai protoni. "E chi lo sa, forse la teoria vale anche per altri ioni come il litio, " ipotizza Braun.

Le scoperte dei ricercatori dell'Empa potrebbero presto fornire informazioni vitali sulla scelta del materiale per le celle a combustibile e i sistemi di stoccaggio dell'idrogeno, e quindi influenzare l'approvvigionamento energetico del futuro. Però, ora anche il comportamento degli isolanti ceramici può essere misurato in modo più efficace:isolano ancora bene alle alte temperature nell'aria esterna umida? Oppure si sviluppano dispersioni di corrente attribuibili alla conduzione del polarone? Grazie al progetto di Braun e Chen, finanziato dal Fondo nazionale svizzero per la ricerca scientifica (FNS), alcuni enigmi della scienza dei materiali possono così essere risolti.