Ученые из России, США и Китая описали структуру и свойства гидрата водорода, который существует в виде льда при комнатной температуре и относительно низком давлении. Такой лед интересен как потенциальное решение для хранения и транспортировки водорода — наиболее экологически чистого топлива. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Лед — очень сложное вещество с множеством полиморфных модификаций, число которых продолжает расти по мере того, как ученые делают новые открытия.
Физические свойства льда также сильно различаются. Например, при высоких давлениях водородные связи становятся симметричными, и уже невозможно выделить отдельную молекулу воды. Низкие давления вызывают разупорядочение протонов. При этом молекулы воды могут присутствовать в кристалле льда в самых разных ориентациях. Лед, который окружает нас, включая снежинки, всегда протонно-разупорядоченный.
Подавляющая часть природного газа в недрах Земли находится в твердом состоянии — в виде газовых гидратов — льда с молекулами ксенона, хлора, диоксида углерода или метана. И структура гидратов часто отличается от структуры чистого льда.
В своем новом исследовании российские химики из МФТИ, "Сколтеха" и Университета ИТМО вместе с коллегами из Института Карнеги в США и Института физики твердого тела в Хэфэ в Китае изучили гидраты водорода, которые представляют большой интерес как для теоретических исследований, так и в практическом плане: как форма хранения водородного топлива.
В чистом виде хранить водород рискованно из-за его взрывоопасности, да и плотность даже сжатого водорода слишком мала, поэтому ученые ищут экономически рентабельные способы хранения этого газа.
"Это не первая наша работа, посвященная гидратам водорода. Ранее мы предсказали состав нового гидрата водорода, где на одну молекулу воды приходилось две молекулы водорода. К сожалению, такой исключительный гидрат может существовать только при давлениях выше 380 тысяч атмосфер, что непрактично. Наша новая статья посвящена гидратам, которые содержат меньше водорода, но зато и существовать могут при гораздо более низком давлении", — приводятся в пресс-релизе "Сколтеха" слова одного из авторов статьи, профессора Артема Оганова.
Кристаллическая структура гидратов водорода сильно зависит от давления. При низком давлении он имеет большие полости, которые, по словам Оганова, напоминают китайские фонарики, в каждом из которых размещается одна молекула водорода. По мере повышения давления структура становится более плотной, водорода в кристаллическую решетку встраивается все больше, но количество его степеней свободы уменьшается.
Авторы провели эксперименты по изучению свойств различных гидратов водорода и обнаружили странное поведение у одного из них, в котором на три молекулы воды приходится одна молекула водорода. Структуру этого гидрата, объясняющую его особенности, удалось понять с помощью эволюционного алгоритма USPEX, разработанного профессором Огановым.
Исследователи обнаружили, что в условиях, соответствующих эксперименту, образуется структура, очень похожая на уже известный протон-упорядоченный гидрат С1, но отличающаяся от него ориентацией молекул воды. Ученые доказали, что протонное разупорядочение в новом гидрате водорода возникает уже при комнатной температуре.
По информации https://ria.ru/20201223/led-1590522594.html
Обозрение "Terra & Comp".
