Nieuwe studie toont nieuwe kristalstructuur van waterstof onder hoge druk – ScienceDaily

In dit opzicht is waterstof vooral belangrijk voor het analyseren van de verdeling van materie in het heelal en het gedrag van gasreuzenplaneten. De kristalstructuren van vast waterstof gevormd onder hoge druk staan ​​echter nog steeds ter discussie vanwege de moeilijkheid om experimenten uit te voeren met waterstof onder hoge druk. Bovendien is het structurele patroon onderhevig aan een delicate balans van factoren, waaronder elektrische krachten op elektronen en fluctuaties opgelegd door de kwantummechanica, en voor waterstof zijn de fluctuaties bijzonder groot, waardoor de kristallijne fasen moeilijker te voorspellen zijn.

Onlangs, in een gezamenlijke studie gepubliceerd in fysieke beoordeling doorMet behulp van een innovatieve combinatie van supercomputersimulatie en datawetenschap heeft een wereldwijd team van onderzoekers, waaronder professor Ryo Maizuno en universitair hoofddocent Kenta Hongo van het Japan Advanced Institute of Science and Technology, dit probleem aangepakt met behulp van een innovatieve combinatie van supercomputersimulatie en datawetenschap. de verschillende kristalstructuren van waterstof bij temperaturen zo laag als 0 K en hoge drukken.

“Voor kristalstructuren onder hoge druk hebben we veel kandidaat-patronen kunnen genereren met behulp van bekende moderne datawetenschapsmethoden zoals genetische algoritmen enz. Maar of deze kandidaten echt de stadia onder hoge druk zijn, kan alleen worden bepaald door simulaties Nauwkeurigheid, ” legt professor Maizuno uit.

Dienovereenkomstig zocht het team naar verschillende mogelijke structuren die kunnen worden gevormd van 2 tot 70 waterstofatomen bij hoge drukken van 400 tot 600 gigapascal (GPa) met behulp van een techniek genaamd “deeltjeszwermoptimalisatie” en berekeningen en schattingen van de dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT). Relativistische stabiliteit met behulp van de eerste principes kwantum Monte Carlo-methode en nulpunts DFT-energiecorrecties.

Het onderzoek leverde 10 potentiële kristalstructuren op die niet eerder door experimenten werden gevonden, waaronder negen moleculaire kristallen en één gemengde structuur, Pbam-8, bestaande uit atomaire en moleculaire kristallagen die in plaats daarvan verschijnen. Ze ontdekten echter dat alle 10 structuren structurele dynamische instabiliteit vertoonden. Om een ​​stabiele structuur te verkrijgen, temperde het team Pbam-8 in de richting van instabiliteit om een ​​nieuwe, dynamisch stabiele structuur te vormen, genaamd P2.₁/ c-8. “De nieuwe structuur is een veelbelovende kandidaat voor waterstof in vaste fase die is bereikt onder hogedrukomstandigheden zoals die diep in de aarde worden aangetroffen”, zegt dr. Hongo.

De nieuwe structuur bleek stabieler te zijn dan Cmca-12, een structuur die eerder een geldige kandidaat bleek te zijn in H₂– De PRE-fase, een van de zes specifieke structurele fasen van vast waterstof bij hoge drukken (360 tot 495 GPa) die stabiel is in de buurt van 0 K. Een soortgelijk patroon wordt vaak waargenomen voor H .₂De vorige fase.

Hoewel dit een interessante ontdekking is, legt professor Maisono het belang van hun bevindingen uit: “Het probleem van waterstofkristallen is een van de meest uitdagende en hardnekkige in de materiaalkunde. Afhankelijk van het type benadering dat wordt gebruikt, kunnen voorspellingen sterk variëren en het vermijden van benaderingen is een typische uitdaging. Na het controleren van ons resultaat Nu kunnen we ons onderzoek voortzetten naar andere structuurvoorspellingsproblemen, zoals die met betrekking tot silicium- en magnesiumverbindingen, die een aanzienlijke impact hebben op de aard- en planeetwetenschappen.”

Bron verhaal:

Materiaal Introductie van Japan Geavanceerd Instituut voor Wetenschap en Technologie. Opmerking: inhoud kan worden aangepast aan stijl en lengte.