Исследователи трёх стран России, США и Китая смогли описать структуру и свойства гидрата водорода, который существует в виде льда при комнатной температуре и относительно низком давлении. Данный лёд очень интересен как решение для хранения и транспортировки водорода (наиболее экологически чистого топлива). В журнале Physical Review Letters были опубликованы эти исследования.
Что такое лёд? Лед — это очень сложное вещество с множеством полиморфных модификаций, число которых растёт по мере того, как ученые делают новые открытия.
Очень сильно различаются физические свойства льда. Например, при очень высоких давлениях водородные связи становятся симметричными, и уже невозможно выделить отдельную молекулу воды. А низкие давления, в свою очередь, вызывают разупорядочение протонов. При всем при этом молекулы воды могут присутствовать в кристалле льда в самых разных ориентациях. Нужно не забывать, что лёд, окружающий нас, включая снежинки, всегда протонно-разупорядоченный.
Большинство природного газа, который находится в недрах Земли существует в твёрдом состоянии, в виде газовых гидратов — льда с молекулами ксенона, хлора, диоксида углерода или метана. Структура этих гидратов часто отличается от структуры чистого льда.
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, представляющие большой интерес как для теоретических исследований, так и для практических. А именно как форма хранения водородного топлива. Хранить водород в чистом виде очень опасно, поскольку он взрывоопасен, да и плотность даже сжатого водорода слишком мала, поэтому исследователи стараются найти экономически рентабельные способы хранения этого газа.
В пресс-релизе “Сколтеха” приводятся слова одного из авторов статьи, профессора Артема Оганова. Он говорит, что это не первая работа учёных, которая полностью посвящается гидратам водорода. Ранее исследователи уже предсказали состав нового гидрата водорода, где на одну молекулу воды приходилось две молекулы водорода. К несчастью, такой исключительный гидрат может существовать только при давлениях выше 380 тысяч атмосфер, что очень непрактично. Новая статья посвящена гидратам, содержащим меньше водорода, но зато и существовать они могут при гораздо более низком давлении.
Кристаллическая структура гидратов водорода во многом зависит от давления. Если давление низкое, он имеет большие полости, которые, по словам исследователя, похожи на китайские фонарики, в каждом из них размещается одна молекула водорода. Если давление повышается, структура становится более плотной, водорода в кристаллическую решетку встраивается все больше, но количество его степеней свободы уменьшается.
Учёные провели несколько экспериментов 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, которая объясняет его особенности, удалось понять с помощью эволюционного алгоритма USPEX. Он был разработан профессором Огановым.
Ученые выяснили, что в условиях, соответствующих эксперименту, образуется структура, которая очень похожа на уже известный протон-упорядоченный гидрат С1, но отличающаяся от него ориентацией молекул воды. Им удалось доказать, что протонное разупорядочение в новом гидрате водорода возникает уже при комнатной температуре.
