العلماء يتوصلون إلى “الاختصار الكمي” للتحكم في سلوك الهيدروجين في الفاناديوم
اكتشف علماء في معهد العلوم الصناعية (IIS) بجامعة طوكيو دور التناظر البلوري في السلوك الكمي للهيدروجين. ستساعد النتائج في تصميم جيل جديد من المواد التي ستشكل المرحلة التالية من تقنيات الطاقة النظيفة باستخدام الهيدروجين. وقد شهد الابتعاد عن الوقود الأحفوري ارتفاعًا في تقنيات الطاقة المتجددة مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية. وعلى الرغم من أن البلدان استثمرت بكثافة في هذه المجالات، إلا أن هناك مجالات متعددة حيث لا يمكن نشر مثل هذه مصادر الطاقة المتقطعة. تعتبر الطاقة المولدة من طاقة الرياح والطاقة الشمسية أمرًا رائعًا للحفاظ على الشبكة وللاستخدام المنزلي اليومي، ولكن بالنسبة للتطبيقات الصناعية الثقيلة، هناك حاجة إلى مصدر بديل للطاقة. يوصف الهيدروجين بأنه الحل لهذه المشاكل، لأنه يمكن حرقه مثل الوقود الأحفوري لتوليد كميات كبيرة من الطاقة ولكن دون أي انبعاثات كربونية. ومع ذلك، فإن كونه وقودًا شديد الاشتعال يجلب معه أيضًا مخاطر تتعلق بالسلامة أثناء التخزين والنقل. إذا كان للهيدروجين أن يحل محل الوقود الأحفوري للاستخدام اليومي في سيارات الركاب أو حتى للتطبيقات الصناعية واسعة النطاق، فيجب تخزينه ونقله بطريقة آمنة للغاية. العمل مع الفاناديوم على مر السنين، قرر العلماء أن الفاناديوم مرشح واعد للتخزين الآمن للهيدروجين. عند استخدامه في سبيكة الحالة الصلبة، يمتص الفاناديوم الهيدروجين بسهولة. تشير التقديرات إلى أن المعدن يمكن أن يحتوي على ما يصل إلى 3.8 بالمائة من وزنه من الهيدروجين. يحدث هذا لأن جزيء الهيدروجين (H2) ينقسم داخل سبيكة الحالة الصلبة وينزلق إلى مساحات فارغة داخل البنية الشبكية البلورية للسبيكة. إن قدرة الفاناديوم على الاحتفاظ قوية جدًا لدرجة أن العلماء يوصون بخلط معادن أخرى مثل الحديد والتيتانيوم والكروم مع هذه السبائك، بحيث يمكن استرداد الهيدروجين عند الحاجة. في حين أننا نعرف الكثير عن الفاناديوم، إلا أن العلماء لم يتمكنوا من تفسير السلوك المتغير الذي يظهره الهيدروجين في وجود الفاناديوم. من خلال الجمع بين قياسات بنية الهيدروجين وانتشاره مع حسابات ميكانيكا الكم داخل البنية البلورية للفاناديوم، اكتشف الباحثون في معهد الدراسات الإسماعيلية كيف يتحكم هيكل الشبكة البلورية للفاناديوم في سلوك الهيدروجين داخله. ماذا وجد الباحثون؟ ووجد فريق العلماء أن ذرات الهيدروجين تقفز بين المساحات الخلالية داخل الشبكة البلورية. في بعض الأحيان، يقومون بذلك من خلال التصرف مثل الجسيم الكلاسيكي الذي يجب عليه التغلب على حواجز الطاقة بين المواقع المجاورة. وفي بعض الأحيان، تتخذ الذرات “طريقًا كميًا مختصرًا” وتتحرك عبر المواقع، وتتحرك مثل الموجة. “تظهر نتائجنا أن التناظر البلوري هو المفتاح للتحكم في السلوك الكمي للهيدروجين،” أوضح تاكاهيرو أوزاوا، الباحث المشارك في IIS، والذي شارك في العمل. “تسمح الهياكل شديدة التناظر للهيدروجين بالنفق، في حين تعمل الهياكل المشوهة على قمع هذا التأثير.” ووفقا لفريق البحث، عندما يكون تركيز الهيدروجين منخفضا، تحافظ بلورة الفاناديوم على بنيتها المتماثلة، مما يسمح لذرات الهيدروجين بالمرور عبر النفق. مع زيادة تركيز الهيدروجين، تصبح البلورة مشوهة، مما يجبر الهيدروجين على التصرف مثل الجسيم الكلاسيكي. وأضاف كاتسويوكي فوكوتاني، أستاذ فيزياء السطح والواجهة في معهد الدراسات الإسماعيلية، في بيان صحفي: “التناظر البلوري هو المفتاح الأساسي الذي يعمل على تشغيل السلوك الكمي أو إيقافه”. “في بنية متماثلة، يجد الهيدروجين مسارات مكافئة تسمح له بالحفر بين المواقع.” “تشويه هذا التماثل – كما يحدث عند تركيزات الهيدروجين العالية – ويتم قمع الأنفاق، مما يجبر الهيدروجين على الاعتماد على الطاقة الحرارية للتنقل بين المواقع بدلا من ذلك.” إن معرفة كيفية تأثير بنية الفاناديوم على تخزين الهيدروجين يمكن أن تساعد في تصميم مواد جديدة تسمح بالسلوك الكمي للهيدروجين وتحمل مصادر الطاقة النظيفة بأمان وتبشر بمستقبل للطاقة النظيفة.
تم النشر: 2026-07-15 10:28:00
