東京大学産業科学研究所の研究者らは、結晶対称性が水素原子がバナジウム中を古典的ホッピングと量子トンネリングのどちらで移動するかを制御する基本的なスイッチとして機能することを明らかにした。この発見はNature Communicationsに掲載され、クリーンエネルギー用途に向けたより優れた水素貯蔵材料の設計指針となる可能性がある。
水素は重工業にとって有望な燃料であるが、安全に貯蔵することは依然として大きな課題である。バナジウム合金は重量の3.8%まで水素を吸収することができ、最も実用的な固体貯蔵材料の一つとなっている。水素分子は合金内部で分解し、結晶格子の隙間サイトを占める。水素がその格子内をどのように移動するかを正確に理解することが、吸収と放出を最適化する鍵となる。
東京の研究チームは、水素の挙動の構造測定とバナジウム結晶格子内の量子力学的計算を組み合わせた。彼らは、水素が結晶構造に応じて二つの根本的に異なる方法で隙間サイト間を移動することを発見した。高い対称性を持つ結晶格子（通常は低水素濃度）では、水素原子はエネルギー障壁を量子トンネリングで通過し、古典的経路を迂回する「量子ショートカット」を実質的に利用する。高水素濃度で格子が歪むと、そのトンネリング効果は抑制され、水素は熱エネルギーに頼って古典的にサイト間をホッピングしなければならない。
「結晶対称性は量子挙動のオン/オフを切り替える根本的なスイッチです」と研究を率いた福谷克之教授は述べている。「対称性の高い構造では、水素はサイト間をトンネリングできる等価な経路を見つけます。高水素濃度で起こるようにその対称性を歪めると、トンネリングは抑制されます。」
この発見は材料科学者に明確な設計パラメータを与える： 迅速な吸収と安定した貯蔵のどちらを優先するかに応じて、貯蔵材料の対称性を制御し、量子トンネリングを有効または無効にする。水素自動車や産業用エネルギー貯蔵において、補給速度と貯蔵安全性の両方が重要である場合、その調整能力は極めて重要となり得る。
Sources: Scientists crack ‘quantum shortcut’ controlling hydrogen behavior in vanadium (Interesting Engineering, 2026年7月15日); Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-026-75020-w)
雅子 訳