O interesse por energia limpa a partir do hidrogênio tem crescido, assim como a necessidade de materiais seguros para seu armazenamento e transporte. O vanádio surge como um candidato promissor, pois absorve hidrogênio e permite sua movimentação através de sua estrutura cristalina. Contudo, o comportamento do hidrogênio em presença do vanádio varia, e a causa desse fenômeno ainda não estava clara.

Um artigo publicado recentemente na revista Nature Communications, por pesquisadores do Instituto de Ciência Industrial da Universidade de Tóquio, trouxe novas informações sobre esse assunto. Ao combinar medições da estrutura e difusão do hidrogênio com cálculos de mecânica quântica, a equipe identificou como a simetria cristalina influencia se o hidrogênio se comporta como uma onda quântica ou como uma partícula clássica dentro do vanádio.

O papel da simetria cristalina

O hidrogênio se movimenta através do vanádio saltando entre os espaços intersticiais da rede cristalina. Em algumas situações, ele se comporta como uma partícula clássica, necessitando superar barreiras de energia para se mover para locais vizinhos; em outras, ele consegue realizar um 'túnel quântico' entre os locais, movendo-se como uma onda através dessas barreiras. Compreender o que determina se o hidrogênio exibe comportamento quântico ou clássico pode auxiliar os cientistas na criação de tecnologias mais eficientes de armazenamento e energia a partir do hidrogênio.

“Nossos resultados mostram que a simetria cristalina é fundamental para controlar o comportamento quântico do hidrogênio”, afirma o autor correspondente Takahiro Ozawa. “Estruturas altamente simétricas permitem que o hidrogênio faça o túnel, enquanto estruturas distorcidas suprimem esse efeito.”

Concentrações de hidrogênio e suas implicações

Quando as concentrações de hidrogênio são baixas, a estrutura cristalina mantém uma alta simetria. Nesses casos, os átomos de hidrogênio conseguem realizar o túnel entre os locais vizinhos, formando estados quânticos delocalizados que se espalham por locais atômicos adjacentes. Contudo, em concentrações mais elevadas de hidrogênio, a estrutura cristalina se distorce, suprimindo o túnel e fazendo com que o hidrogênio se comporte de maneira mais clássica.

“A simetria cristalina é o interruptor subjacente que ativa ou desativa o comportamento quântico”, explica o autor sênior Katsuyuki Fukutani. “Em uma estrutura simétrica, o hidrogênio encontra caminhos equivalentes que permitem o túnel entre os locais. Quando essa simetria é distorcida, como ocorre em altas concentrações de hidrogênio, o túnel é suprimido, forçando o hidrogênio a depender da energia térmica para saltar entre os locais.”

Essa nova compreensão pode informar estratégias práticas para o desenvolvimento de materiais projetados para controlar o comportamento quântico do hidrogênio, o que pode beneficiar uma ampla gama de tecnologias baseadas em hidrogênio, incluindo transporte e purificação.

À medida que os pesquisadores continuam a explorar o hidrogênio como uma fonte de energia mais limpa, entender e, eventualmente, controlar seu comportamento em nível atômico se tornará cada vez mais importante. Ao desvendar o papel da simetria cristalina, essa pesquisa estabelece as bases para uma nova geração de materiais avançados destinados à próxima fase das tecnologias energéticas.