東京大学工業科学研究所の科学者たちは、結晶対称性が水素の量子挙動に与える影響を明らかにしました。この発見は、新世代の材料設計に役立ち、水素を利用したクリーンエネルギー技術の次の段階を推進することに寄与します。各国が徐々に化石燃料から脱却する中、風力や太陽光などの再生可能エネルギー技術が台頭しています。各国はこれらの分野に多額の資金を投入していますが、場合によってはこれらの間欠的なエネルギー源が利用できないことがあります。風力や太陽光で生成されたエネルギーは、電力網や日常の家庭使用に非常に適していますが、重工業用途には代替エネルギーが依然として必要です。
水素は、化石燃料のように燃焼して大量のエネルギーを生成できるため、これらの問題を解決する答えと見なされていますが、炭素排出を伴いません。しかし、水素は非常に可燃性の燃料であるため、貯蔵や輸送の過程で安全リスクを伴います。水素が乗用車の日常使用や大規模な工業用途で化石燃料に取って代わるためには、非常に安全な方法で貯蔵・輸送される必要があります。
水素の量子挙動は結晶対称性の影響を受ける
長年のバナジウムとの共同研究を通じて、科学者たちはバナジウムが水素の安全な貯蔵候補材料として有望であることを確認しました。固体合金に使用されると、バナジウムは水素を容易に吸収することができます。この金属は、自身の重量の3.8％の水素を貯蔵できると推定されています。これは、水素分子（H2）が固体合金内で分裂し、合金の格子構造内の隙間に滑り込むためです。バナジウムの貯蔵能力は非常に強力であり、科学者たちは鉄、チタン、クロムなどの他の金属をこれらの合金と混合することを提案しています。これにより、必要に応じて水素を回収できるようになります。バナジウムについての理解はかなり進んでいますが、科学者たちは水素がバナジウムの存在下で示す変化する挙動を説明することができていません。
東京大学工業科学研究所の研究者たちは、水素の構造と拡散の測定をバナジウムの結晶構造における量子力学的計算と組み合わせることで、バナジウムの結晶格子構造が水素の挙動をどのように制御するかを発見しました。
研究者たちは、水素原子が結晶格子内の隙間を跳び越えることを発見しました。時には、隣接する位置間のエネルギー障壁を克服する必要があるため、古典的な粒子のように振る舞います。ある時点では、原子は「量子ショートカット」を取り、位置を通過してトンネル効果を示し、運動の仕方は波動のようになります。この研究に参加した研究助手の小澤貴弘は、「私たちの結果は、結晶対称性が水素の量子挙動を制御する鍵であることを示しています。」と述べました。彼はさらに、「高度に対称的な構造は水素がトンネル効果を示すことを可能にし、変形した構造はこの効果を抑制します。」と付け加えました。研究チームの観察によると、水素濃度が低いとき、バナジウムの結晶はその対称構造を維持し、水素原子がトンネル効果を示すことができます。
水素濃度が増加するにつれて、結晶は歪み、水素の挙動は古典的な粒子に近づきます。
結晶対称性は水素の量子挙動の鍵
福田勝之教授はプレスリリースで、「結晶対称性は量子挙動を開くまたは閉じる基本的なスイッチです。対称構造の中で、水素は等価な経路を見つけ、位置間をトンネル効果で移動することができます。」と指摘しました。彼はさらに、「この対称性が歪むと、例えば高濃度の水素が存在する場合、トンネル効果は抑制され、水素は熱エネルギーに依存して位置間を跳び越えることを強いられます。」と述べました。バナジウムの構造が水素の貯蔵にどのように影響するかを理解することは、新しい材料の設計に役立ち、水素の量子挙動を実現し、クリーンエネルギーを安全に運び、クリーンエネルギーの未来を切り開くことができます。
この研究成果は『Nature Communications』に掲載されました。