合肥研究院發(fā)現(xiàn)新型氫水化合物
近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理所計(jì)算物理與量子材料研究部極端環(huán)境量子物質(zhì)中心團(tuán)隊(duì)，在高壓科學(xué)研究取得新進(jìn)展，研究利用金剛石對頂砧高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)，結(jié)合原位拉曼光譜實(shí)驗(yàn)技術(shù)、原位X射線衍射實(shí)驗(yàn)技術(shù)及第一性原理，計(jì)算研究了一種新型氫水合物的形成過程以及結(jié)構(gòu)性質(zhì)。相關(guān)研究成果以Novel Hydrogen Clathrate Hydrate為題，發(fā)表在《物理學(xué)評論快報(bào)》（Physical Review Letters）上。
固態(tài)水分子由于氫鍵的存在傾向于形成三維框架結(jié)構(gòu)。在自然或人造的極端條件下，水分子很可能與其他氣體小分子發(fā)生締合，從而產(chǎn)生各種各樣的構(gòu)型和結(jié)構(gòu)。純水在低于400萬大氣壓以及77-300K的溫度壓力區(qū)間，以存在至少3種非晶相及16種晶相而聞名，具有非常復(fù)雜的相圖。這種結(jié)構(gòu)的多樣性也適用于不同的水合物。氣體分子可以通過范德華力與水的籠型結(jié)構(gòu)的相互作用，形成穩(wěn)定的氣體水合物，使得水本身成為具有潛力的儲氣/氣體分離的材料，例如，在深海沉積物等中存在大量的天然氣水合物。然而，氫水合物在行星的形成和演化中起重要作用。
研究表明，在120萬大氣壓和298K溫度下，純氫與純水形成一種新型水合物，水合物中氧原子亞晶格的排布與純水的固體相中氧原子相同，而水合物中的氫分子位于氧原子構(gòu)成的六環(huán)形空腔中，整個水合物的空間對稱性滿足三角R3c或R-3c空間群（質(zhì)子有序或無序），其分子式組成為（H2O）·6H2。
拉曼光譜和理論計(jì)算揭示了研究發(fā)現(xiàn)的新相C1'中的氫無序性質(zhì)，其不同于眾所周知的有序相C1，這種新結(jié)構(gòu)在壓力升高或溫度降低后會轉(zhuǎn)變?yōu)镃1相。它也可以被看作是有序冰的無序結(jié)構(gòu)，與其他所有已發(fā)現(xiàn)的有序冰結(jié)構(gòu)（如ice Ⅰ與ice Ⅺ，ice Ⅶ與ice Ⅷ）均不同，是一種新型無序冰結(jié)構(gòu)。
研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重大科研儀器研制項(xiàng)目、合肥研究院院長基金等的支持。
圖1.氫水合物C1、C1'和iceⅡ相的拉曼光譜
圖2.水合物C1'在R-3c對稱性下的結(jié)構(gòu)，其中主要結(jié)構(gòu)模型（H2O環(huán)）以不同的投影顯示，顯示出兩種不同的無序模式，“環(huán)狀”無序（在由六個氧原子構(gòu)成的類似扶手椅的虛擬平面）和“無環(huán)”（平面外）無序
圖3.C1'相的粉末衍射數(shù)據(jù)。紅色短刻度對應(yīng)于R-3c空間群，藍(lán)色短線對應(yīng)R-3（與iceⅡ相同）結(jié)構(gòu)的空間群
中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院
