Peneliti dari Massachusetts Institute of Technology (MIT) berhasil mengembangkan model fisika baru yang memberikan wawasan lebih dalam mengenai pergerakan proton pada material oksida logam. Model ini meningkatkan kemampuan prediksi mobilitas proton, yang memungkinkan pengembangan material dan teknologi dengan proton sebagai pembawa muatan, menggantikan penggunaan lithium yang saat ini banyak dipakai.
Lonjakan permintaan lithium untuk penyimpanan energi di kendaraan listrik dan instalasi energi terbarukan telah mendorong harga lithium melambung tinggi. Selain itu, lithium menimbulkan masalah keselamatan dan dampak lingkungan sehingga para ilmuwan mencari alternatif pembawa muatan yang lebih aman dan ekonomis, yakni proton.
Peran Proton Dalam Konduksi Muatan
Proton memiliki keunggulan sebagai pembawa muatan karena hanya terdiri atas inti atom hidrogen tanpa elektron. Ini membuatnya menjadi pembawa muatan paling sederhana jika dibandingkan dengan ion logam lain. Namun, kunci keberhasilan teknologi yang memanfaatkan proton terletak pada kemudahan pergerakan proton di dalam material.
Saat ini, proton sebagai pembawa muatan dalam oksida logam baru efektif bekerja pada suhu di atas 400 °C. Tantangan utama adalah mereplikasi kemampuan tersebut pada suhu yang lebih rendah. Model MIT sangat berperan penting untuk mengatasi batasan ini.
Proton bergerak dengan cara ‘melompat’ dari ion oksigen satu ke yang lain dalam oksida logam. Proton membentuk ikatan kovalen dengan ion oksigen dan saat berpindah ke ion oksigen berikutnya, mereka menggunakan ikatan hidrogen yang membuat ikatan kovalen tersebut berputar agar proton tidak kembali ke posisi awal.
Bilge Yildiz, profesor dari Departemen Ilmu dan Teknik Material MIT, menjelaskan bahwa conductor proton merupakan material penting untuk berbagai teknologi konversi energi bersih, termasuk listrik, bahan bakar, dan sintesis bahan kimia industri.
Inovasi Pengukuran Fleksibilitas Sub-lattice Oksigen
Tim MIT memusatkan perhatian pada fleksibilitas sub-lattice ion oksigen sebagai faktor utama dalam mengoptimalkan konduksi proton. Mereka mengembangkan metrik baru yang dinamakan O…O fluctuation, yang mengukur perubahan jarak antar ion oksigen di dalam kisi kristal akibat getaran kolektif pada suhu tertentu.
Selain itu, mereka mengidentifikasi tujuh fitur utama yang dapat memengaruhi pergerakan proton dan kemudian membangun model kecerdasan buatan (AI) untuk memprediksi respons material terhadap proton berdasarkan dataset tersebut.
Faktor Penting dalam Mobilitas Proton
Hasil model menunjukkan bahwa panjang ikatan hidrogen dan fleksibilitas rantai ion oksigen menjadi faktor dominan penentu kemudahan perpindahan proton. Artinya, semakin pendek ikatan hidrogen dan semakin lentur sub-lattice oksigen, semakin baik kemampuan material mengalirkan proton.
Manfaat dari model ini tidak hanya untuk menyaring material yang menjanjikan untuk transfer proton. Dataset yang dibuat juga memiliki potensi untuk melatih model AI generatif dalam menghasilkan material baru yang optimal untuk konduksi proton.
Yildiz menambahkan bahwa ada basis data material besar yang baru-baru ini dibuat oleh perusahaan seperti Google dan Microsoft. Basis data tersebut dapat disaring menggunakan parameter yang ditemukan tim MIT, dan jika material yang memenuhi syarat belum ada, parameter ini dapat digunakan untuk menciptakan senyawa baru.
Potensi Aplikasi dan Masa Depan
Pengembangan material proton conductor yang efisien dapat mendorong kemajuan pada perangkat konversi energi bersih dan komputasi hemat energi dengan arsitektur yang terinspirasi otak. Material tersebut penting bagi teknologi yang menginginkan operasi pada suhu kamar dan skala produksi yang dapat diandalkan.
Model MIT yang dipublikasikan di jurnal Matter membuka peluang baru untuk mempercepat inovasi dalam teknologi energi dan elektronik. Penelitian ini menjadi fondasi kritis untuk mencari alternatif yang lebih aman, ramah lingkungan, dan ekonomis dibandingkan dengan teknologi berbasis lithium saat ini.
Dengan pemahaman yang lebih baik tentang mekanisme dan faktor yang memengaruhi pergerakan proton, para ilmuwan di seluruh dunia dapat mempercepat penemuan material baru yang membuka jalan menuju masa depan energi dan komputasi yang lebih berkelanjutan.
-
-
-
-
