Новый гидрат водорода может существовать даже при комнатной температуре
Подавляющая часть природного газа в недрах Земли находится в виде льда с молекулами ксенона, хлора, диоксида углерода или метана. Структура гидратов часто отличается от структуры чистого льда. В своем новом исследовании российские учёные из МФТИ, Университета ИТМО и Сколтеха, китайские из Китайской академии наук, немецкие из Исследовательского центра физики частиц и американские из Института Карнеги в Вашингтоне и Чикагского университета изучили гидраты водорода.
Они представляют большой интерес как для теоретических исследований, так и в практическом плане — как форма хранения водородного топлива. В чистом виде хранить водород довольно рискованно из-за его взрывоопасности, к тому же плотность даже сжатого водорода слишком мала. Ранее учёные предсказали состав нового гидрата водорода, где на одну молекулу воды приходилось две молекулы водорода.
Но такой гидрат может существовать только при давлениях свыше 380 тысяч атмосфер. Новое исследование посвящено гидратам, которые содержат меньше водорода, но и существовать могут при гораздо более низком давлении. Кристаллическая структура гидратов водорода сильно зависит от давления. При низком давлении он имеет большие полости, в каждой из которых размещается одна молекула водорода.
По мере повышения давления структура становится более плотной, водорода в кристаллическую решетку встраивается всё больше, но количество его степеней свободы уменьшается. Авторы провели эксперименты по изучению свойств различных гидратов водорода и обнаружили у одного из них необычное строение — на три молекулы воды в нём приходилась одна молекула водорода.
Структуру этого гидрата, объясняющую его особенности, удалось понять с помощью эволюционного алгоритма USPEX. Исследователи обнаружили, что в условиях, соответствующих эксперименту, образуется структура, похожая на известный протон-упорядоченный гидрат С1, но отличающаяся от него ориентацией молекул воды. Протонное разупорядочение в новом гидрате водорода возникает уже при комнатной температуре.
