Konduktor Proton: Terobosan MIT untuk Energi Bersih & AI Efisien

Teknologi energi mutakhir, termasuk sel bahan bakar, elektroliser, dan jenis elektronik berdaya rendah yang baru muncul, mengandalkan proton sebagai pembawa muatan utama. Adopsi luas perangkat-perangkat ini sangat bergantung pada seberapa efisien mereka dapat memindahkan proton. Di Indonesia, dengan potensi energi terbarukan yang melimpah dan kebutuhan akan solusi energi bersih, pengembangan konduktor proton yang efisien menjadi sangat relevan untuk mencapai kemandirian energi dan mengurangi emisi.

Oksida logam, salah satu kelas material, telah menunjukkan harapan dalam mengonduksi proton pada suhu di atas 400 derajat Celsius. Namun, para peneliti masih menghadapi tantangan besar dalam menemukan material terbaik untuk meningkatkan konduktivitas proton pada suhu yang lebih rendah dan secara signifikan memperbaiki efisiensi perangkat. Ini adalah kunci untuk aplikasi yang lebih luas dan praktis, termasuk di lingkungan tropis seperti Indonesia.

Terobosan MIT dalam Memahami Konduksi Proton

Kabar baiknya, peneliti dari Massachusetts Institute of Technology (MIT) kini telah mengembangkan model fisik revolusioner untuk memprediksi mobilitas proton di berbagai jenis oksida logam. Dalam sebuah makalah baru yang diterbitkan di jurnal Matter, para peneliti berhasil mengurutkan fitur-fitur terpenting dari oksida logam yang memfasilitasi konduksi proton. Untuk pertama kalinya, mereka juga mendemonstrasikan secara kuantitatif seberapa besar fleksibilitas ion oksida dalam material dapat meningkatkan kemampuannya dalam mentransfer proton.

Penemuan ini diharapkan dapat memandu para ilmuwan dan insinyur, termasuk di Indonesia, dalam mengembangkan material yang lebih unggul untuk teknologi energi yang lebih efisien. Proton, yang jauh lebih ringan, lebih kecil, dan lebih melimpah dibandingkan pembawa muatan umum lainnya seperti ion litium, menawarkan potensi besar untuk masa depan energi bersih dan komputasi cerdas. Profesor Bilge Yildiz, Breen M. Kerr Professor di departemen Ilmu dan Teknik Nuklir (NSE) serta Ilmu dan Teknik Material (DMSE) di MIT, sekaligus penulis senior makalah ini, menjelaskan pentingnya pemahaman mendalam tentang mekanisme ini.

"Jika kita memahami mekanisme suatu proses dan sifat material apa yang mengatur mekanisme itu, maka kita dapat menyetel sifat-sifat tersebut untuk meningkatkan kecepatan proses tersebut – dalam kasus ini, konduksi proton," kata Yildiz. "Untuk aplikasi ini, kita perlu memahami hubungan kuantitatif antara transfer proton dan sifat struktural, kimia, elektronik, serta dinamis material. Membangun hubungan ini dapat membantu kita menyaring database material untuk menemukan senyawa yang memenuhi sifat-sifat material tersebut, atau bahkan melampaui penyaringan. Mungkin ada cara untuk menggunakan alat AI generatif untuk menciptakan senyawa yang mengoptimalkan sifat-sifat tersebut."

Mekanisme Lompatan Proton yang Unik

Proton sudah digunakan secara masif dalam elektroliser untuk produksi hidrogen dan dalam sel bahan bakar. Mereka juga diharapkan akan digunakan dalam teknologi penyimpanan energi yang menjanjikan, seperti baterai proton yang dapat berbasis air dan mengandalkan material yang lebih murah daripada baterai ion litium. Aplikasi yang lebih baru dan menarik adalah komputasi berenergi rendah, terinspirasi otak, untuk meniru fungsi sinaptik dalam perangkat kecerdasan buatan. Potensi ini sangat besar untuk memajukan industri teknologi di Indonesia.

"Konduktor proton adalah material penting dalam berbagai teknologi konversi energi untuk listrik bersih, bahan bakar bersih, dan sintesis kimia industri bersih," jelas Yildiz. "Konduktor proton anorganik yang dapat diskalakan dan berfungsi pada suhu kamar juga dibutuhkan untuk komputasi terinspirasi otak yang hemat energi."

Proton, yang merupakan keadaan hidrogen bermuatan positif, berbeda dari ion litium atau natrium karena mereka tidak memiliki elektron sendiri – proton hanya terdiri dari inti telanjang. Oleh karena itu, proton cenderung menyematkan diri ke dalam awan elektron ion-ion di dekatnya, melompat dari satu ke yang berikutnya. Dalam oksida logam, proton menyematkan diri ke dalam ion oksigen, membentuk ikatan kovalen, dan melompat ke ion oksigen terdekat melalui ikatan hidrogen. Setelah setiap lompatan, ikatan kovalen H-O berputar untuk mencegah proton bolak-balik.

Seluruh proses lompatan dan putaran ini membuat para peneliti MIT berpikir bahwa fleksibilitas sub-kisi ion oksida pasti penting untuk mengonduksi proton. Memang, studi mereka sebelumnya pada kelas konduktor proton lainnya telah menunjukkan bagaimana fleksibilitas kisi-kisi memengaruhi transportasi proton.

Mengukur Fleksibilitas Material dan Temuan Kunci

Untuk studi mereka, para peneliti menciptakan metrik untuk mengukur fleksibilitas kisi-kisi di berbagai material yang mereka sebut "O…O fluctuation" (fluktuasi O…O). Metrik ini mengukur perubahan jarak antara ion oksigen yang disebabkan oleh fonon pada suhu terbatas. Mereka juga membuat kumpulan data fitur material lain yang memengaruhi mobilitas proton dan mulai mengukur seberapa penting masing-masing fitur tersebut untuk memfasilitasi konduksi proton.

"Kami berusaha untuk lebih memahami bagaimana proton bergerak melalui material anorganik ini sehingga kami dapat mengoptimalkannya dan meningkatkan efisiensi aplikasi energi dan komputasi hilir," jelas Heejung W. Chung, penulis pertama makalah dan mahasiswa PhD MIT di DMSE.

Para peneliti mengurutkan pentingnya ketujuh fitur yang mereka pelajari, termasuk sifat struktural dan kimia material, dan melatih model berdasarkan temuan tersebut untuk memprediksi seberapa baik material akan mengonduksi proton. Model tersebut menemukan bahwa dua fitur terpenting dalam memprediksi hambatan transfer proton adalah panjang ikatan hidrogen dan fleksibilitas sub-kisi oksigen yang ditandai oleh metrik fluktuasi O…O. Semakin pendek panjang ikatan hidrogen, semakin baik material dalam mengangkut proton, yang selaras dengan studi oksida logam sebelumnya. Metrik fluktuasi O…O yang dikembangkan para peneliti adalah fitur baru dan terpenting kedua yang mereka pelajari. Semakin fleksibel rantai ion oksigen, semakin baik konduksi protonnya.

Masa Depan Konduktor Proton yang Lebih Baik untuk Indonesia

Para peneliti percaya bahwa model mereka dapat digunakan untuk memperkirakan konduksi proton di berbagai material yang lebih luas. "Kami harus selalu berhati-hati dalam menggeneralisasi temuan, tetapi kimia dan struktur lokal yang kami pelajari memiliki spektrum yang cukup luas sehingga kami berpikir temuan ini secara luas berlaku untuk berbagai konduktor proton anorganik," kata Yildiz. Ini adalah berita baik bagi upaya penelitian dan pengembangan material di Indonesia.

Selain digunakan untuk menyaring material yang menjanjikan, para peneliti mengatakan bahwa temuan mereka juga dapat digunakan untuk melatih model AI generatif untuk menciptakan material yang dioptimalkan untuk transfer proton. Seiring dengan peningkatan pemahaman kita tentang material, hal itu dapat memungkinkan munculnya kelas baru teknologi energi bersih yang sangat efisien. Bayangkan dampaknya terhadap sektor energi di Indonesia, di mana inovasi semacam ini dapat mempercepat transisi menuju energi terbarukan dan mengurangi ketergantungan pada bahan bakar fosil.

"Ada database material yang sangat besar yang baru-baru ini dihasilkan di lapangan, misalnya oleh Google dan Microsoft, yang dapat disaring untuk hubungan yang kami temukan ini," kata Yildiz. "Jika senyawa material yang memenuhi parameter ini tidak ada, kita juga bisa menggunakan parameter ini untuk menghasilkan senyawa baru. Itu akan memungkinkan peningkatan efisiensi energi dan kelangsungan konversi energi bersih serta perangkat komputasi berdaya rendah. Untuk itu, kita perlu mencari tahu bagaimana mendapatkan sub-kisi ion oksida yang lebih fleksibel dan terperkolasi. Apa saja metrik komposisi dan struktur yang dapat saya gunakan untuk mendesain material agar memiliki fleksibilitas itu? Itu adalah langkah selanjutnya."

Dengan adopsi teknologi ini, Indonesia dapat menjadi pemain kunci dalam pengembangan energi bersih dan komputasi cerdas di Asia Tenggara. Penelitian ini, yang didukung oleh U.S. Department of Energy’s Energy Frontier Center – Hydrogen in Energy and Information Sciences – dan National Science Foundation’s Graduate Research Fellowship Program, menunjukkan bagaimana kolaborasi riset global dapat menghasilkan terobosan yang bermanfaat bagi seluruh dunia, termasuk Indonesia.