Металлическая губка для водорода: квантовый эффект ванадия поможет создать безопасные баки

При малых концентрациях атомы водорода перемещаются внутри ванадия подобно волнам, проходя сквозь преграды. Но по мере накопления газа структура металла искажается, заставляя частицы двигаться по законам классической физики. К такому выводу пришли физики из Токийского университета (IIS).

Водород — перспективное топливо, но его хранение в виде газа несет риски взрывов. Безопасная альтернатива — «впитывать» его в твердые сплавы на основе ванадия. Этот металл работает как губка, способная удерживать водород в объеме до 3,8% от своей массы. Молекулы расщепляются внутри материала, после чего отдельные атомы прячутся в пустотах кристаллической решетки.

Долгое время физика этого процесса оставалась загадкой. Объединив расчеты с прямыми измерениями, ученые обнаружили два сценария поведения частиц. В идеальной, неискаженной решетке водород использует квантовое туннелирование — атомы проходят сквозь структуру металла, игнорируя препятствия. Однако этот «квантовый шорткат» работает не всегда. Увеличение концентрации топлива раздувает и деформирует кристаллы ванадия. Симметрия металла нарушается, туннельный эффект отключается, и атомам водорода приходится тратить энергию, чтобы буквально протискиваться сквозь материал.

Контроль над этим квантовым переключателем — ключ к созданию емких и безопасных топливных баков нового типа. Инженеры смогут проектировать легированные сплавы (например, с добавлением железа или титана), которые не потеряют симметрию при полной загрузке. Впрочем, поведение и износ таких композитов при многократных циклах заправки еще только предстоит изучить.

Источник: Interesting Engineering