Des chercheurs de l’Institut des sciences industrielles de l’Université de Tokyo ont découvert comment la symétrie cristalline agit comme un interrupteur fondamental contrôlant si les atomes d’hydrogène se déplacent dans le vanadium par saut classique ou par tunneling quantique. Cette découverte, publiée dans Nature Communications, pourrait guider la conception de meilleurs matériaux de stockage d’hydrogène pour les applications d’énergie propre.
L’hydrogène est un combustible prometteur pour l’industrie lourde, mais son stockage sécurisé reste un défi majeur. Les alliages de vanadium peuvent absorber l’hydrogène jusqu’à 3,8 % de leur poids, ce qui en fait l’un des matériaux de stockage à l’état solide les plus pratiques. Les molécules d’hydrogène se séparent à l’intérieur de l’alliage et occupent des sites interstitiels dans le réseau cristallin. Comprendre exactement comment l’hydrogène se déplace dans ce réseau est essentiel pour optimiser l’absorption et la libération.
L’équipe de Tokyo a combiné des mesures structurelles du comportement de l’hydrogène avec des calculs de mécanique quantique dans le réseau cristallin du vanadium. Ils ont découvert que l’hydrogène se déplace entre les sites interstitiels de deux manières fondamentalement différentes selon la structure cristalline. Dans un réseau cristallin hautement symétrique, généralement à de faibles concentrations d’hydrogène, les atomes d’hydrogène peuvent effectuer un tunneling quantique à travers les barrières énergétiques, prenant ainsi un « raccourci quantique » qui contourne le chemin classique. Lorsque le réseau se déforme à des concentrations d’hydrogène plus élevées, cet effet de tunneling est supprimé et l’hydrogène doit compter sur l’énergie thermique pour sauter entre les sites de manière classique.
« La symétrie cristalline est l’interrupteur sous-jacent qui active ou désactive le comportement quantique », a déclaré le professeur Katsuyuki Fukutani, qui a dirigé la recherche. « Dans une structure symétrique, l’hydrogène trouve des voies équivalentes qui lui permettent de tunneler entre les sites. Déformez cette symétrie, comme cela se produit à des concentrations d’hydrogène plus élevées, et le tunneling est supprimé. »
Cette découverte donne aux spécialistes des matériaux un paramètre de conception clair : contrôler la symétrie du matériau de stockage pour activer ou désactiver le tunneling quantique, selon que l’absorption rapide ou le stockage stable est la priorité. Pour les véhicules à hydrogène et le stockage d’énergie industrielle, où la vitesse de ravitaillement et la sécurité du stockage sont importantes, cette capacité de réglage pourrait être cruciale.
Sources : Scientists crack ‘quantum shortcut’ controlling hydrogen behavior in vanadium (Interesting Engineering, 15 juillet 2026) ; Nature Communications (DOI : 10.1038/s41467-026-75020-w)
Traduit par Lydie