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化学家描述了一种新形式的冰

在室温和相对低压下形成的新型笼形氢水合物的结构和性质。水合氢是储存和运输氢(最环保的燃料)的潜在解决方案。该研究发表在《物理评论快报》上。

冰是一种高度复杂的物质,具有多种多态性修饰,随着科学家的新发现,冰的数量不断增加。冰的物理性质也有很大变化:例如,氢键在高压下变得对称,从而无法区分单个水分子,而低压则导致质子紊乱,将水分子置于晶体结构内的许多可能空间方向上。我们周围的冰块(包括雪花)始终是质子无序的。冰可以掺入氙气,氯气,二氧化碳或甲烷分子,并形成气体水合物,其结构通常与纯冰不同。目前大部分地球的天然气存在于天然气水合物的形式。

在他们的新研究中,来自美国,中国和俄罗斯的化学家专注于水合氢。天然气水合物对理论研究和实际应用都非常感兴趣,例如储氢。如果以天然形式储存,氢会引起爆炸危险,而即使在压缩氢中,密度也太低。这就是为什么科学家在寻找具有成本效益的储氢解决方案的原因。

“这不是我们第一次使用水合氢。在我们先前的研究中,我们预测了一种新型水合氢,每个水分子具有2个氢分子。不幸的是,这种特殊的水合仅能在380,000个大气压以上的压力下存在,因此Skoltech教授Artem R. Oganov说道:“我们的新论文描述了氢含量较低但可以在低得多的压力下存在的水合物。”

水合氢的晶体结构在很大程度上取决于压力。根据奥加诺夫的说法,它在低压下具有大空腔,类似于中国的灯笼,每个灯笼可容纳氢分子。随着压力的增加,结构变得更致密,更多的氢分子堆积在晶体结构中,尽管它们的自由度大大降低。

在《物理评论快报》上发表的研究中,来自华盛顿卡内基研究所(美国)和合肥固体物理研究所(中国)的科学家由这两个机构的教授亚历山大·贡萨洛夫(Alexander F. Goncharov)进行了实验。研究了各种氢水合物的性质,发现了一种不寻常的水合物,每个氢分子具有3个水分子。由Oganov教授带领的研究小组使用了由Oganov和他的学生开发的USPEX进化算法,以弄清楚该化合物具有独特行为的结构。研究人员模拟了实验中使用的条件,发现了一种与已知的质子有序C1水合物非常相似的新结构但在水分子方向上不同于C1。研究小组表明,质子紊乱应在室温下发生,从而解释了在实验中获得的X射线衍射和拉曼光谱数据。

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