合肥研究院發現新型氫水化合物

近日，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理所計算物理與量子材料研究部極端環境量子物質中心團隊，在高壓科學研究取得新進展，研究利用金剛石對頂砧高壓實驗技術，結合原位拉曼光譜實驗技術、原位X射線衍射實驗技術及第一性原理，計算研究了一種新型氫水合物的形成過程以及結構性質。相關研究成果以Novel Hydrogen Clathrate Hydrate為題，發表在《物理學評論快報》（Physical Review Letters）上。

固態水分子由於氫鍵的存在傾向於形成三維框架結構。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生締合，從而產生各種各樣的構型和結構。純水在低於400萬大氣壓以及77-300K的溫度壓力區間，以存在至少3種非晶相及16種晶相而聞名，具有非常複雜的相圖。這種結構的多樣性也適用於不同的水合物。氣體分子可以通過範德華力與水的籠型結構的相互作用，形成穩定的氣體水合物，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於氧原子構成的六環形空腔中，整個水合物的空間對稱性滿足三角R3c或R-3c空間群（質子有序或無序），其分子式組成為（H2O）·6H2。

拉曼光譜和理論計算揭示了研究發現的新相C1'中的氫無序性質，其不同於眾所周知的有序相C1，這種新結構在壓力升高或溫度降低後會轉變為C1相。它也可以被看作是有序冰的無序結構，與其他所有已發現的有序冰結構（如ice Ⅰ與ice Ⅺ，ice Ⅶ與ice Ⅷ）均不同，是一種新型無序冰結構。

研究工作得到國家自然科學基金、國家重大科研儀器研製、科學挑戰專題及院長基金等的支持。

圖1.氫水合物C

1

、C

1

'和iceⅡ相的拉曼光譜

圖2.水合物C1'在R-3c對稱性下的結構，其中主要結構模型（H2O環）以不同的投影顯示，顯示出兩種不同的無序模式，「環狀」無序（在由六個氧原子構成的類似扶手椅的虛擬平面）和「無環」（平面外）無序

圖3.

C

1

'

相的粉末衍射數據。紅色短刻度對應於

R-3c

空間群，藍色短線對應R-

3

（與

ice

Ⅱ相同）結構的空間群

來源： 合肥物質科學研究院