Твердый водород - Solid hydrogen

Твердый водород это твердый состояние элемента водород, достигается за счет понижения температуры ниже водородной температура плавления 14,01 К (-259,14 ° С; -434,45 ° F). Его впервые собрал Джеймс Дьюар в 1899 г. и опубликовано под названием «Sur la solidification de l'hydrogène» (англ .: «О затвердевании водорода») в Annales de Chimie et de Physique, 7-я серия, т. 18 октября 1899 г.[1][2] Твердый водород имеет плотность 0,086 г / см.3 что делает его одним из твердых тел с самой низкой плотностью.

Молекулярный твердый водород

При низких температурах и давлениях примерно до 400 ГПа водород образует серию твердых фаз, образованных дискретными H2 молекулы. Фаза I происходит при низких температурах и давлениях и состоит из гексагонального плотноупакованного массива свободно вращающихся H2 молекулы. При повышении давления при низкой температуре переход к Фаза II происходит при давлении до 110 ГПа.[3] Фаза II представляет собой структуру с нарушенной симметрией, в которой H2 молекулы больше не могут свободно вращаться.[4] Если давление еще больше увеличивается при низкой температуре, Фаза III встречается при давлении около 160 ГПа. При повышении температуры переход к Фаза IV происходит при температуре в несколько сотен градусов Кельвина в диапазоне давлений выше 220 ГПа.[5][6]

Идентификация атомных структур различных фаз молекулярного твердого водорода является чрезвычайно сложной задачей, поскольку атомы водорода очень слабо взаимодействуют с рентгеновскими лучами, и в ячейках с алмазной наковальней можно получить только небольшие образцы твердого водорода, так что дифракция рентгеновских лучей предоставляет очень ограниченную информацию о структурах. Тем не менее, фазовые переходы можно обнаружить, посмотрев резкие изменения Рамановские спектры образцов. Кроме того, атомные структуры могут быть выведены из комбинации экспериментальных спектров комбинационного рассеяния света и моделирования из первых принципов.[7] Функциональная теория плотности расчеты были использованы для поиска возможных атомных структур для каждой фазы. Эти кандидатные структуры имеют низкие свободные энергии и спектры комбинационного рассеяния, согласующиеся с экспериментальными спектрами.[8][9][10] Квантовый Монте-Карло Затем методы вместе с рассмотрением ангармонических колебательных эффектов из первых принципов были использованы для получения относительных свободных энергий Гиббса этих структур и, следовательно, для получения теоретической фазовой диаграммы давление-температура, которая находится в разумном количественном согласии с экспериментом.[11] Исходя из этого, фаза II считается молекулярной структурой п21/c симметрия; Фаза III представляет собой (или похожа на) структуру C2/c симметрия, состоящая из плоских слоев молекул в искаженном гексагональном расположении; и Фаза IV представляет собой (или похожа на) структуру ПК симметрия, состоящая из чередующихся слоев прочно связанных молекул и слабо связанных графеноподобных листов.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Переписка и общие положения A-I DEWAR / Box D I
  2. ^ Дьюар, Джеймс (1899). "Sur la solidification de l'hydrogène". Annales de Chimie et de Physique. 18: 145–150.
  3. ^ Х.-К. Мао и Р. Дж. Хемли (1994). «Переходы сверхвысокого давления в твердом водороде». Ред. Мод. Phys. 66 (2): 671–692. Bibcode:1994РвМП ... 66..671М. Дои:10.1103 / RevModPhys.66.671.
  4. ^ И. Гончаренко, П. Лубейр (2005). «Нейтронное и рентгеноструктурное исследование фазового перехода с нарушенной симметрией в твердом дейтерии». Природа. 435 (7046): 1206–1209. Bibcode:2005Натура 435.1206Г. Дои:10.1038 / природа03699. PMID  15988519.
  5. ^ Р. Т. Хауи, К. Л. Гийом, Т. Шелер, А. Ф. Гончаров и Э. Грегорянц (2012). «Смешанная молекулярная и атомная фазы плотного водорода». Phys. Rev. Lett. 108 (12): 125501. Bibcode:2012PhRvL.108l5501H. Дои:10.1103 / PhysRevLett.108.125501. PMID  22540596.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  6. ^ М. И. Еремец & И.А. Троян (2011). «Проводящий плотный водород». Материалы Природы. 10 (12): 927–931. Bibcode:2011НатМа..10..927E. Дои:10.1038 / nmat3175. PMID  22081083.
  7. ^ Дж. М. Мак-Магон, М. А. Моралес, К. Пьерлеони и Д. М. Сеперли (2012). «Свойства водорода и гелия в экстремальных условиях» (PDF). Ред. Мод. Phys. 84 (4): 1607–1653. Bibcode:2012РвМП ... 84.1607М. Дои:10.1103 / RevModPhys.84.1607.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  8. ^ К. Дж. Пикард и Р. Дж. Нидс (2007). «Структура фазы III твердого водорода». Nat. Phys. 3 (7): 473–476. Bibcode:2007НатФ ... 3..473П. Дои:10.1038 / nphys625.
  9. ^ К. Дж. Пикард и Р. Дж. Нидс (2009). «Конструкции под высоким давлением от случайного поиска». Phys. Статус Solidi B. 246 (3): 536–540. Bibcode:2009PSSBR.246..536P. Дои:10.1002 / pssb.200880546.
  10. ^ К. Дж. Пикард, М. Мартинес-Каналес и Р. Дж. Нидс (2012). "Изучение теории функционала плотности фазы IV твердого водорода". Phys. Ред. B. 85 (21): 214114. arXiv:1204.3304. Bibcode:2012PhRvB..85u4114P. Дои:10.1103 / PhysRevB.85.214114.
  11. ^ Н. Д. Драммонд, Б. Монсеррат, Дж. Х. Ллойд-Уильямс, П. Лопес Риос, К. Дж. Пикард и Р. Дж. Нидс (2015). «Квантовое Монте-Карло исследование фазовой диаграммы твердого молекулярного водорода при экстремальных давлениях». Nat. Сообщество. 6: 7794. arXiv:1508.02313. Bibcode:2015 НатКо ... 6E7794D. Дои:10.1038 / ncomms8794. ЧВК  4525154. PMID  26215251.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)

дальнейшее чтение

внешняя ссылка