麻省理工学院材料科学与工程系（DMSE）的比尔吉·耶尔迪兹教授，带领的一个团队开发出了一种新物理模型，解决了质子在金属氧化物中的运动问题。麻省理工学院材料科学与工程系（DMSE）给这项研究提供了支持，揭示了一种关键的载流子——质子。这种模型把金属氧化物中质子迁移能力给量化了，提供了对质子行为的更深入了解。 质子由一个氢原子核组成，没有电子。这个特点使质子成为清洁能源技术中的潜在明星。与锂不同，质子只由一个原子构成，比其他金属离子要简单得多。燃料电池和电解槽技术的进步，让质子成为了关键的载流子。科学家们一直在寻找更安全、更便宜的载流子来替代目前广泛使用的锂。锂的价格上涨加上安全和环境方面的问题，把新能源技术的发展推向了一个转折点。麻省理工新模型把问题解决了。 现在，质子在金属氧化物中的迁移能力限于752°F（400°C）以上的温度。这次研究展示了如果在较低温度下实现这种迁移能力是可能的，那么可以为新能源技术打开一扇新的门。质子通过嵌入氧离子形成共价键来移动，这个过程利用氢键和H-O键旋转完成。 麻省理工新模型如何帮助呢？根据这个模型，氢键的长度和氧离子子晶格灵活性是影响质子运动的最关键因素。键长越短，材料传递质子的效果越好；同样，氧离子链越灵活，质子导电性越好。这个团队观察到氧离子子晶格灵活性对质子导电性至关重要，所以他们决定把这个指标称为O…O波动。 O…O波动测量了在有限温度下由声子或晶格中的集体振动引起的氧离子间距变化。这次研究为改善质子在各种金属氧化物中的迁移能力提供了新方向。在室温下能够工作的无机、可扩展质子导体对于节能的类脑计算是必不可少的。Yildiz教授强调：“质子导体是各种能源转换技术中重要材料，广泛应用于清洁电力、清洁燃料和清洁工业化学合成。” 科学家们一直努力理解质子如何导电。因为质子没有自己的电子，所以它们更倾向于嵌入附近离子的电子云中并在离子之间跳跃。在金属氧化物中，质子嵌入氧离子形成共价键。当它们移动到下一个氧离子时会利用氢键并旋转共价H-O键使得其无法回到原来位置。 这次研究提供了一种新物理模型以帮助改善对质子在各种金属氧化物中迁移能力预测。这可以帮助开发以质子作为载流子的新能源材料和技术而不是依赖于目前广泛使用的锂。Yildiz教授表示：“把这些信息结合起来”可以让我们更好地了解新能源材料的潜在应用价值。