Il metodo di apprendimento automatico accelera la scoperta di materiali energetici verdi

In risposta al riscaldamento climatico, i ricercatori hanno sviluppato nuovi modi per generare energia senza utilizzare combustibili fossili. “Un percorso verso la neutralità del carbonio è creare una società dell’idrogeno. Tuttavia, oltre a ottimizzare il modo in cui l’idrogeno viene prodotto, immagazzinato e trasportato, dobbiamo anche aumentare l’efficienza di generazione di energia delle celle a combustibile a idrogeno”, spiega il professor Yoshihiro Yamazaki, di Dipartimento di Scienza e Tecnologia dei Materiali dell’Università di Kyushu, Piattaforma di ricerca energetica inter/transdisciplinare (Q-PIT).

Per generare corrente elettrica, le celle a combustibile a ossido solido devono essere in grado di condurre in modo efficiente ioni idrogeno (o protoni) attraverso un materiale solido, noto come elettrolita. Attualmente, la ricerca su nuovi materiali elettrolitici si è concentrata sugli ossidi con disposizioni cristalline degli atomi molto specifiche, note come struttura perovskite.

“Il primo ossido conduttore di protoni scoperto era in una struttura di perovskite, e vengono continuamente segnalate nuove perovskiti ad alte prestazioni”, afferma il professor Yamazaki. “Ma vogliamo espandere la scoperta degli elettroliti solidi agli ossidi non perovskiti, che hanno anche la capacità di condurre i protoni in modo molto efficiente.”

Tuttavia, la scoperta di materiali conduttori di protoni con strutture cristalline alternative tramite i tradizionali metodi di “prova ed errore” presenta numerose limitazioni. Affinché un elettrolita acquisisca la capacità di condurre protoni, è necessario aggiungere al materiale di base piccole tracce di un’altra sostanza, nota come drogante. Ma con molte basi promettenti e candidati droganti – ciascuno con proprietà atomiche ed elettroniche diverse – trovare la combinazione ottimale che migliora la conduttività protonica diventa difficile e richiede tempo.

Invece, i ricercatori hanno calcolato le proprietà di diversi ossidi e droganti. Hanno quindi utilizzato l’apprendimento automatico per analizzare i dati, identificare i fattori che influiscono sulla conduttività protonica di un materiale e prevedere potenziali combinazioni.

Guidati da questi fattori, i ricercatori hanno quindi sintetizzato due materiali promettenti, ciascuno con strutture cristalline uniche, e hanno valutato il modo in cui conducevano i protoni. Sorprendentemente, entrambi i materiali hanno dimostrato la conduttività protonica in un solo esperimento.

Uno dei materiali, hanno sottolineato i ricercatori, è il primo conduttore di protoni conosciuto con una struttura cristallina di sillenite. L’altro, che ha una struttura di eulitite, ha un percorso di conduzione dei protoni ad alta velocità distinto dai percorsi di conduzione osservati nelle perovskiti. Attualmente, le prestazioni di questi ossidi come elettroliti sono basse, ma con ulteriori esplorazioni il gruppo di ricerca ritiene che la loro conduttività possa essere migliorata.

“Il nostro quadro ha il potenziale per espandere notevolmente lo spazio di ricerca degli ossidi che conducono protoni, e quindi accelerare in modo significativo i progressi nelle celle a combustibile a ossidi solidi. È un passo avanti promettente verso la realizzazione di una società dell’idrogeno”, conclude il professor Yamazaki. “Con piccole modifiche, questo quadro potrebbe anche essere adattato ad altri campi della scienza dei materiali e potenzialmente accelerare lo sviluppo di molti materiali innovativi.”