Одноосное сжатие решетки ванадия подавило квантовое туннелирование протона
Диффузия водорода переключилась с туннельного механизма на тепловой
Японские химики подробно изучили механизм диффузии водорода при температурах ниже 70 кельвин в одном из лучших металлов для хранения водорода — ванадии. Они выяснили, что все зависит от кристаллической фазы металла: в кубической α-фазе атомы водорода туннелируют между тетраэдрическими позициями решетки с коэффициентом диффузии не менее 10-12 квадратных сантиметров в секунду даже при 35 кельвин, тогда как в одноосно деформированной β-фазе туннелирование подавляется, и диффузия осуществляется тепловыми прыжками между октаэдрическими позициями с энергией активации 148 миллиэлектронвольт. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Ванадий считается одним из самых перспективных металлов для хранения водорода: он поглощает его экзотермически и способен накапливать в объеме больше, чем большинство конкурентов. Водород в свою очередь имеет самую малую массу атома из всех элементов, и при низких температурах, где термический надбарьерный переход атома в решетке подавлен, его диффузия в металлах определяется квантовыми эффектами: нулевыми колебаниями и квантовым туннелированием.
Туннелирование — это явление, при котором частица проходит сквозь потенциальный барьер, классически для нее непреодолимый: чем частица легче, а барьер уже и ниже, тем вероятнее такой переход. Теоретически он должен быть особенно заметен в металлах с объемно-центрированной кубической решеткой, где расстояния между соседними межузельными позициями короче, чем в гранецентрированной кубической решетке. При этом экспериментальных данных о механизме туннелирования водорода при низких температурах было крайне мало.