«Природа полна бесконечных причин, которые никогда не были в опыте» — эти слова Леонардо да Винчи, написанные пять веков назад, сегодня звучат пророчески. Ученые создали материалы, способные буквально «дышать» кислородом, как живые организмы. Эти кристаллы могут стать ключом к чистой энергии будущего.
Атомный аккордеон: как кристалл вдыхает кислород
Представьте материал, который работает как микроскопические легкие: втягивает молекулы O₂ из окружающей среды, а по команде выпускает их обратно. В основе этого феномена лежит обратимое изменение кристаллической решетки. Когда материал нагревают в особой газовой среде, атомы металлов (стронция, железа, кобальта) слегка смещаются, «выдыхая» кислород. При охлаждении или смене атмосферы решетка сжимается, снова поглощая газ .
Ключевая инновация — стабильность процесса. Ранние аналоги разрушались после 2–3 циклов «дыхания». Новый материал, разработанный корейско-японской командой, выдерживает сотни циклов благодаря ионам кобальта. Они действуют как шарниры: меняют состояние, освобождая кислород, но не ломая структуру. Профессор Хёнджин Джин образно называет это «кристаллом с легкими» .
Почему это революция для энергетики?
Топливные элементы — первое применение «дышащих» кристаллов. В твердооксидных топливных элементах (SOFC) такие материалы ускоряют ионный обмен кислородом, повышая КПД преобразования водорода в электричество. Но настоящий прорыв — в катализе водяного расщепления.
Группа из Института науки Токио создала железный катализатор poly-Fe5-PCz на основе пентануклеарного комплекса. При электролитическом расщеплении воды он достигает 99% эффективности по Фарадею (почти вся энергия идет на реакцию) и работает 500+ часов без деградации. Для сравнения: традиционные катализаторы из иридия теряют активность уже через 50 часов.
«Железный катализатор совершает энергетический трюк: он использует кислород решетки как "короткий путь" для реакции, снижая энергозатраты» — объясняет Алекс Колпак из MIT, соавтор исследования по механизму кислородного участия.
Вызовы: где "спотыкается" дышащий кристалл?
Главная проблема — баланс между реакционной способностью и стабильностью. Чем активнее материал отдает кислород, тем быстрее разрушается. Решение нашли в гибридных структурах:
- Полимерные каркасы (как у poly-Fe5-PCz), защищающие активные центры;
- Легирование редкоземельными элементами (европий, церий) для укрепления решетки ;
- «Умные» композиты, где один компонент поглощает механические напряжения, а другой отвечает за газообмен.
Интересно, что ИИ ускоряет поиск оптимальных комбинаций. Алгоритмы предсказывают поведение тысяч вариантов структур за часы, тогда как ручной анализ занял бы годы. Например, в MIT нейросети помогли доказать, что перовскит стронция-кобальта (SrCoO₂.₇) эффективнее иридия .
Применение в России: от Арктики до "умных" окон
Российские исследования сосредоточены в Сколтехе, МФТИ и НИТУ "МИСиС". В 2025 году Сколтех опубликовал работу по кобальт-оксидным катализаторам для электролизеров — аналогам японских разработок . Но уникальный российский кейс — адаптация к холоду.
Также изучаются проекты:
- «Умные окна» с терморегулирующим покрытием. Летом кристаллы теряют кислород, отражая тепло; зимой поглощают его, сохраняя тепло в домах (аналог корейской технологии ).
- Системы хранения энергии для ВИЭ. Кристаллы запасают кислород при избытке энергии от ветра/солнца, а при дефиците используют его для генерации в топливных элементах. В Ульяновске уже тестируют такие установки мощностью 100 кВт .
Экономика и безопасность: стоит ли игра свеч?
Стоимость — главный аргумент "за". Катализаторы на основе железа в 200 раз дешевле иридиевых ($50/кг против $10 000). Даже с учетом НИОКР, водород от "дышащих" систем будет стоить $2.5/кг против $5–7/кг у текущих аналогов .
Безопасность подтверждена тестами: при распаде материал выделяет лишь следовые количества оксидов металлов (ниже ПДК). Для сравнения: литий-ионные АКБ содержат токсичный кобальт и легковоспламеняющийся электролит .
Рынок труда также выиграет: к 2030 году прогнозируется +17 000 рабочих мест в сегменте "зеленых" катализаторов — от инженеров-химиков до техников по обслуживанию электролизеров.
Заключение: камень, который построит новую энергетику
«Дышащие» кристаллы — не панацея, но важный шаг к углеродной нейтральности. К 2030 году они могут снизить стоимость "зеленого" водорода на 40%, а к 2040-му — занять 30% рынка катализаторов.
Источники: Nature Communications , Joule , Viox , MIT Energy Initiative .