شیمی‌دان‌ها شکل جدیدی از یخ را کشف کردند

شیمی‌دان‌ها شکل جدیدی از یخ را کشف کردند

دانشمندانی از ایالات متحده، چین و روسیه ساختار و خواص هیدرات‌های گازی هیدروژن جدیدی را توصیف کرده‌اند که در دمای اتاق و فشار نسبتاً کم تشکیل می‌شوند. هیدرات هیدروژن یک راه حل مناسب برای ذخیره‌سازی و حمل و نقل سازگارترین سوخت با محیط زیست، یعنی هیدروژن است. این تحقیق در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.

یخ ماده‌ای بسیار پیچیده با تغییرات چند شکلی متعدد است که با کشف دانشمندان، تعداد آن‌ها رو به رشد است. خصوصیات فیزیکی یخ نیز بسیار متفاوت است. به عنوان مثال، پیوندهای هیدروژن آن در فشارهای بالا متقارن می‌شوند، تشخیص یک مولکول آب را غیرممکن می‌سازد، درحالی که فشارهای کم باعث اختلالات پروتونی می‌شوند، و مولکول‌های آب را در بسیاری از جهات ممکن در ساختار بلوری قرار می‌دهد. یخ‌های اطراف ما، از جمله دانه‌های برف، همیشه از نظر چیدمان پروتونی بی‌نظم هستند. یخ می‌تواند مولکول‌های زنون، کلر، دی‌اکسیدکربن یا متان را در خود داشته باشد و هیدرات‌های گازی را تشکیل دهد که اغلب ساختاری متفاوت از یخ خالص دارند. عمده گاز طبیعی زمین به صورت هیدرات‌های گازی وجود دارد.

شیمی‌دان‌های آمریکایی، چینی و روسی در مطالعات خود بر روی هیدرات هیدروژن تمرکز کرده‌اند. هیدرات‌های گازی مورد مناسبی برای تحقیقات نظری و کاربردهای عملی مانند ذخیره هیدروژن هستند. اگر هیدروژن به شکل طبیعی خود ذخیره شود خطر انفجار ایجاد می‌کند، درحالی که هیدروژن فشرده نیز چگالی بسیار کمی دارد. به همین دلیل دانشمندان به دنبال راه‌حل‌های مناسب برای ذخیره هیدروژن هستند.

این اولین بار نیست که دانشمندان به هیدرات هیدروژن روی می‌آورند. آن‌ها در تحقیقات قبلی خود، یک هیدرات هیدروژن جدید با ۲ مولکول هیدروژن در هر مولکول آب را پیش‌بینی می‌کردند، اما متأسفانه این هیدرات استثنائی فقط در فشارهای بالاتر از ۳۸۰،۰۰۰ اتمسفر می‌تواند وجود داشته باشد که دست‌یابی به آن در آزمایشگاه آسان است اما در کاربردهای عملی به‌سختی قابل استفاده می‌باشد. مقاله جدید دانشمندان هیدرات‌هایی را توصیف می‌کند که حاوی هیدروژن کمتری هستند اما می‌توانند در فشارهای بسیار کمتری وجود داشته باشند.

ساختار بلوری هیدرات هیدروژن به شدت به فشار بستگی دارد. در فشار کم، حفره‌های بزرگی دارد که به گفته اوگانف (Oganov)، شیمی‌دان روسی، شبیه فانوس‌های چینی است و هرکدام از آن‌ها مولکول‌های هیدروژن را در خود جای می‌دهند. با افزایش فشار، ساختار، متراکم‌تر می‌شود و مولکول‌های هیدروژن بیشتری درون ساختار بلوری قرار می‌گیرند، اگرچه درجه آزادی آنها به طور قابل توجهی کمتر می‌شود.

دانشمندان موسسه کارنگی واشنگتن (ایالات متحده آمریکا) و انستیتوی فیزیک حالت جامد در هفی (چین) به رهبری الکساندر اف گونچاروف، استاد این دو موسسه، آزمایش‌هایی را برروی خواص هیدرات هیدروژن مختلف انجام داده‌ و یک هیدرات غیر معمول با ۳ مولکول آب در هر مولکول هیدروژن کشف کرده‌اند. این تیم به سرپرستی پروفسور اوگانف از الگوریتم تکاملی USPEX که توسط اوگانوف و دانشجویانش ساخته شده است استفاده کرد تا ساختار این ترکیب را که باعث رفتارهای خاص آن است را کشف کنند. محققان شرایط آزمایش را شبیه‌سازی کردند و ساختار جدیدی بسیار مشابه هیدرات C1 شناخته شده یافتند اما با C1 در جهت گیری مولکول آب متفاوت است. این تیم نشان داد که اختلال پروتون باید در دمای اتاق رخ دهد، بنابراین توضیح پراش اشعه X و طیف رامان در این آزمایش به‌دست آمد.

–