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Cette vue d'artiste illustre le mécanisme microscopique révélé par les chercheurs du MIT : dans certains oxydes métalliques, la flexibilité du réseau d'ions d'oxygène (en rouge) est cruciale. Elle permet aux protons (sphères lumineuses) de "sauter" d'un atome à l'autre avec une efficacité redoutable. Crédit : Gen AI

Cette vue d'artiste illustre le mécanisme microscopique révélé par les chercheurs du MIT : dans certains oxydes métalliques, la flexibilité du réseau d'ions d'oxygène (en rouge) est cruciale. Elle permet aux protons (sphères lumineuses) de "sauter" d'un atome à l'autre avec une efficacité redoutable. Crédit : Gen AI

Qu’est-ce qui fait un bon conducteur de protons ?

par La rédaction
22 décembre 2025
en Batterie, Technologie

Zach Winn

Un certain nombre de technologies énergétiques avancées, notamment les piles à combustible, les électrolyseurs et une classe émergente d’électronique basse consommation utilisent les protons comme porteurs de charge clés. L’adoption généralisée de ces dispositifs dépend, en partie, de l’efficacité avec laquelle ils peuvent déplacer les protons. 

Une classe de matériaux connue sous le nom d’oxydes métalliques a montré des résultats prometteurs pour la conduction des protons à des températures supérieures à 400 degrés Celsius. Mais les chercheurs ont eu du mal à trouver les meilleurs matériaux pour augmenter la conductivité protonique à des températures plus basses et améliorer l’efficacité.

Désormais, des chercheurs du MIT ont développé un modèle physique pour prédire la mobilité des protons dans un large éventail d’oxydes métalliques. Dans un nouvel article, les chercheurs ont classé les caractéristiques les plus importantes des oxydes métalliques pour faciliter la conduction protonique, et ont démontré pour la première fois à quel point la flexibilité des ions oxyde des matériaux améliore leur capacité à transférer des protons.

Les chercheurs estiment que leurs découvertes peuvent guider les scientifiques et les ingénieurs dans le développement de matériaux pour des technologies énergétiques plus efficaces rendues possibles par les protons, qui sont plus légers, plus petits et plus abondants que les porteurs de charge plus courants comme les ions lithium.

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« Si vous comprenez le mécanisme d’un processus et quelles caractéristiques des matériaux régissent ce mécanisme, alors vous pouvez ajuster ces caractéristiques pour améliorer la vitesse de ce processus — dans ce cas, la conduction protonique », explique Bilge Yildiz, professeure Breen M. Kerr dans les départements de Science et Ingénierie Nucléaires (NSE) et de Science et Ingénierie des Matériaux (DMSE) au MIT et auteure principale d’un article décrivant le travail.

« Pour cette application, nous devons comprendre ces relations quantitatives entre le transfert de protons et les caractéristiques structurelles, chimiques, électroniques et dynamiques du matériau. Établir ces relations peut nous aider à cribler les bases de données de matériaux pour trouver des composés qui satisfont ces caractéristiques, ou même aller au-delà du criblage. Il pourrait y avoir des moyens d’utiliser des outils d’IA générative pour créer des composés qui optimisent ces caractéristiques. »

Faire sauter les protons

Les protons sont déjà utilisés à grande échelle dans les électrolyseurs pour la production d’hydrogène et dans les piles à combustible. Ils devraient également être utilisés dans des technologies prometteuses de stockage d’énergie telles que les batteries à protons, qui pourraient être à base d’eau et reposer sur des matériaux moins chers que les batteries lithium-ion. Une application plus récente et passionnante est l’informatique basse consommation, inspirée du cerveau pour émuler les fonctions synaptiques dans des dispositifs d’intelligence artificielle.

« Les conducteurs de protons sont des matériaux importants dans différentes technologies de conversion d’énergie pour une électricité propre, des carburants propres et une synthèse chimique industrielle propre », précise Yildiz. « Des conducteurs de protons inorganiques, évolutifs et fonctionnant à température ambiante sont également nécessaires pour l’informatique inspirée du cerveau économe en énergie. »

Les protons, qui sont l’état chargé positivement de l’hydrogène, diffèrent des ions lithium ou sodium car ils n’ont pas leurs propres électrons — les protons ne sont constitués que du noyau nu. Par conséquent, les protons préfèrent s’incruster dans les nuages électroniques des ions voisins, sautant de l’un à l’autre. Dans les oxydes métalliques, les protons s’incrustent dans les ions oxygène, formant une liaison covalente, et sautent vers un ion oxygène voisin via une liaison hydrogène. Après chaque saut, la liaison covalente H-O tourne pour empêcher le proton d’aller et venir.

Tout ce saut et cette rotation ont amené les chercheurs du MIT à penser que la flexibilité de ces sous-réseaux d’ions oxyde doit être importante pour conduire les protons. En effet, leurs études précédentes dans une autre classe de conducteurs de protons avaient montré comment la flexibilité du réseau cristallin affecte le transport des protons.

Pour leur étude, les chercheurs ont créé une métrique pour quantifier la flexibilité du réseau à travers les matériaux qu’ils appellent « fluctuation O…O », qui mesure le changement d’espacement entre les ions oxygène dû aux phonons à température finie. Ils ont également créé un ensemble de données d’autres caractéristiques des matériaux qui influencent la mobilité des protons et se sont mis à quantifier l’importance de chacune pour faciliter la conduction protonique.

« Nous essayions de mieux comprendre comment les protons se déplacent à travers ces matériaux inorganiques afin de pouvoir les optimiser et améliorer l’efficacité des applications énergétiques et informatiques en aval », explique Chung.

Les chercheurs ont classé l’importance des sept caractéristiques qu’ils ont étudiées, qui incluaient également des traits structurels et chimiques des matériaux, et ont entraîné un modèle sur les résultats pour prédire dans quelle mesure les matériaux conduiraient les protons. Le modèle a révélé que les deux caractéristiques les plus importantes pour prédire les barrières de transfert de protons sont la longueur de la liaison hydrogène et la flexibilité du sous-réseau d’oxygène caractérisée par la métrique de fluctuation O…O. Plus la longueur de la liaison hydrogène est courte, meilleur était le matériau pour transporter les protons, ce qui correspondait aux études précédentes sur les oxydes métalliques. La métrique de fluctuation O…O des chercheurs était la nouvelle et la deuxième caractéristique la plus importante qu’ils ont étudiée. Plus les chaînes d’ions oxygène sont flexibles, meilleure est la conduction protonique.

De meilleurs conducteurs de protons

Les chercheurs estiment que leur modèle pourrait être utilisé pour estimer la conduction protonique dans un plus large éventail de matériaux.

« Nous devons toujours être prudents quant à la généralisation des résultats, mais les chimies et structures locales que nous avons étudiées ont un spectre suffisamment large pour que nous pensions que cette découverte est largement applicable à une gamme de conducteurs de protons inorganiques », affirme Yildiz.

Au-delà de leur utilisation pour cribler des matériaux prometteurs, les chercheurs affirment que leurs découvertes pourraient également servir à entraîner des modèles d’IA générative pour créer des matériaux optimisés pour le transfert de protons. À mesure que notre compréhension des matériaux s’améliore, cela pourrait permettre une nouvelle classe de technologies d’énergie propre hyper-efficaces.

« Il existe des bases de données de matériaux très vastes générées récemment dans le domaine, par exemple celles de Google et Microsoft, qui pourraient être criblées pour ces relations que nous avons trouvées », déclare Yildiz. « Si le composé matériel qui satisfait ces paramètres n’existe pas, nous pourrions également utiliser ces paramètres pour générer de nouveaux composés. Cela permettrait d’augmenter l’efficacité énergétique et la viabilité des dispositifs de conversion d’énergie propre et d’informatique basse consommation. Pour cela, nous devons comprendre comment obtenir des sous-réseaux d’ions oxyde plus flexibles qui soient percolés. Quelles sont les métriques de composition et de structure que je peux utiliser pour concevoir le matériau pour avoir cette flexibilité ? Ce sont les prochaines étapes. »

Article : Flexibility of oxygen sublattice and hydrogen bond length predict proton mobility in ternary metal oxides – Journal : Matter – DOI : Lien vers l’étude

La recherche a été soutenue par le Centre de l’Énergie Frontière du Département de l’Énergie des États-Unis – Hydrogène dans les Sciences de l’Énergie et de l’Information – et le Programme de Bourses de Recherche pour Étudiants Diplômés de la National Science Foundation.

L’article paraît dans la revue Matter. Aux côtés de Yildiz se trouvent Heejung W. Chung, première auteure de l’article et doctorante au MIT en DMSE ; Pjotrs Žguns, ancien postdoctorant en DMSE ; et Ju Li, professeur Carl Richard Soderberg de Génie Énergétique en NSE et DMSE.

Source : MIT

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Tags: conductivitéénergiemateriauxproton
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A number of advanced energy technologies — including fuel cells, electrolyzers, and an emerging class of low-power electronics — use protons as the key charge carrier. Whether or not these devices will be widely adopted hinges, in part, on how efficiently they can move protons. 

One class of materials known as metal oxides has shown promise in conducting protons at temperatures above 400 degrees Celsius. But researchers have struggled to find the best materials to increase the proton conductivity at lower temperatures and improve efficiency.

Now, MIT researchers have developed a physical model to predict proton mobility across a wide range of metal oxides. In a new paper, the researchers ranked the most important features of metal oxides for facilitating proton conduction, and demonstrated for the first time how much the flexibility of the materials’ oxide ions improves their ability to transfer protons.

The researchers believe their findings can guide scientists and engineers as they develop materials for more efficient energy technologies enabled by protons, which are lighter, smaller, and more abundant than more common charge carriers like lithium ions.

“If you understand the mechanism of a process and what material traits govern that mechanism, then you can tune those traits to improve the speed of that process — in this case, proton conduction,” says Bilge Yildiz, the Breen M. Kerr Professor in the departments of Nuclear Science and Engineering (NSE) and Materials Science and Engineering (DMSE) at MIT and the senior author of a paper describing the work. “For this application, we need to understand these quantitative relations between the proton transfer and the material’s structural, chemical, electronic, and dynamic traits. Establishing these relations can help us screen material databases to find compounds that satisfy those material traits, or even go beyond screening. There could be ways to use generative AI tools to create compounds that optimize for those traits.”

The paper appears in the journal Matter. Joining Yildiz are Heejung W. Chung, the paper’s first author and an MIT PhD student in DMSE; Pjotrs Žguns, a former postdoc in DMSE; and Ju Li, the Carl Richard Soderberg Professor of Power Engineering in NSE and DMSE.

Making protons hop

Protons are already used at scale in electrolyzers for hydrogen production and in fuel cells. They are also expected to be used in promising energy-storage technologies such as proton batteries, which could be water-based and rely on cheaper materials than lithium-ion batteries. A more recent and exciting application is low-energy, brain-inspired computing to emulate synaptic functions in devices for artificial intelligence.

“Proton conductors are important materials in different energy conversion technologies for clean electricity, clean fuels, and clean industrial chemical synthesis,” explains Yildiz. “Inorganic, scalable proton conductors that work at room temperature are also needed for energy-efficient brain-inspired computing.”

Protons, which are the positively charged state of hydrogen, are different from lithium or sodium ions because they don’t have their own electrons — protons consist of just the bare nucleus. Therefore, protons prefer to embed into the electron clouds of nearby ions, hopping from one to the next. In metal oxides, protons embed into oxygen ions, forming a covalent bond, and hop to a nearby oxygen ion through a hydrogen bond. After every hop, the covalent H-O bond rotates to prevent the proton from shuttling back and forth.

All that hopping and rotating got MIT’s researchers thinking that the flexibility of those oxide ion sublattices must be important for conducting protons. Indeed, their previous studies in another class of proton conductors had shown how lattice flexibility impacts proton transport.

For their study, the researchers created a metric to quantify lattice flexibility across materials that they call “O…O fluctuation,” which measures the change in spacing between oxygen ions contributed by phonons at finite temperature. They also created a dataset of other material features that influence proton mobility and set out to quantify how important each one is for facilitating proton conduction.

“We were trying to better understand how protons move through these inorganic materials so that we can optimize them and improve the efficiency of downstream energy and computing applications,” Chung explains.

The researchers ranked the importance of all seven features they studied, which also included structural and chemical traits of materials, and trained a model on the findings to predict how well materials would conduct protons. The model found that the two most important features in predicting proton transfer barriers are the hydrogen bond length and the oxygen sublattice flexibility characterized by the O…O fluctuation metric. The shorter the hydrogen bond length, the better the material was at transporting protons, which aligned with previous studies of metal oxides. The researchers’ O…O fluctuation metric was the new and the second most important feature they studied. The more flexible the oxygen ion chains, the better the proton conduction.

Better proton conductors

The researchers believe their model could be used to estimate proton conduction across a broader range of materials.

“We always have to be cautious about generalizing findings, but the local chemistries and structures we studied have a wide enough spectrum that we think this finding is broadly applicable to a range of inorganic proton conductors,” Yildiz says.

Beyond being used to screen for promising materials, the researchers say their findings could also be used to train generative AI models to create materials optimized for proton transfer. As our understanding of materials improves, that could enable a new class of hyper-efficient clean energy technologies.

“There are very large materials databases generated recently in the field, for example those by Google and Microsoft, that could be screened for these relations we’ve found,” Yildiz says. “If the material compound that satisfies these parameters does not exist, we could also use these parameters to generate new compounds. That would enable increases in the energy efficiency and viability of clean energy conversion and low-power computing devices. For that, we need to figure out how to get more flexible oxide ion sublattices that are percolated. What are the composition and structure metrics that I can use to design the material to have that flexibility? Those are the next steps.”

The research was supported by the U.S. Department of Energy’s Energy Frontier Center – Hydrogen in Energy and Information Sciences – and the National Science Foundation’s Graduate Research Fellowship Program.

###

Written by Zach Winn, MIT News

Journal

Matter

DOI

10.1016/j.matt.2025.102568

Article Title

Flexibility of oxygen sublattice and hydrogen bond length predict proton mobility in ternary metal oxides

Article Publication Date

15-Dec-2025

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