Ученые из США, Китая и России описали структуру и свойства нового гидрата водорода, образующегося при относительно низком давлении и комнатной температуре. Гидрат водорода — лед с молекулами водорода в структурных полостях — интересен как потенциальный экономически эффективный способ хранения и транспортировки самого экологически чистого топлива — водорода.

Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Лед — очень сложное вещество со множеством модификаций. При этом ученые регулярно открывают новые из них. Физические свойства льда тоже могут сильно варьировать, например, при высоких давлениях происходит симметризация водородных связей, при которой становится невозможно выделить отдельную молекулу воды.

При низких давлениях наблюдается протонное разупорядочение, явление при котором молекулы воды могут быть по-разному ориентированы в пространстве и в кристалле присутствуют все ориентации. Всем привычный лед (и в том числе снежинки) как раз протонно-разупорядоченные. Лед способен вмещать молекулы газов (ксенона, хлора, углекислого газа, метана), образуя газовые гидраты – которые часто имеют другую структуру. Львиная доля природного газа на планете Земля находится в виде газовых гидратов.

В новом исследовании химики из США, Китая и России изучали гидраты водорода. Газовые гидраты интересны не только с теоретической, но и с практической точки зрения, так как могут служить способом для хранения водорода. В чистом виде хранить водород не рекомендуется из-за его взрывоопасности, да и плотность даже сжатого вещества слишком мала, поэтому ученые ищут экономически рентабельные способы хранения этого газа.

«Это не первая наша работа, посвященная гидратам водорода. Ранее мы предсказали состав нового гидрата водорода, где на одну молекулу воды приходилось две молекулы водорода. К сожалению, такой рекордный гидрат может существовать только при давлениях выше 380 тысяч атмосфер, что непрактично. Наша новая статья посвящена гидратам, которые содержат меньше водорода, но зато и существовать могут при гораздо более низком давлении», – рассказывает профессор Сколтеха Артем Оганов.

Кристаллическая структура гидратов водорода сильно зависит от давления. При низких давлениях она имеет большие полости, которые профессор Оганов сравнивает с китайскими фонарями, в каждой полости может разместиться одна молекула водорода, по мере повышения давления структура становится более плотной, водорода в кристаллическую решетку встраивается тоже больше, но степеней свободы у него значительно меньше.

Структура новой формы льда / ©Артем Оганов / Пресс-служба Сколтеха

В работе экспериментаторы из Института Карнеги в Вашингтоне (США) и Института физики твердого тела в Хэфэй (Китай) под руководством профессора этих двух институтов Александра Гончарова изучали свойства различных гидратов водорода и обнаружили странное поведение у одного из гидратов, где на три молекулы воды приходится одна молекула водорода. Структуру этого гидрата, объясняющую его особенности, удалось понять с помощью ученых из группы профессора Сколтеха Артема Оганова и разработанного им эволюционного алгоритма USPEX.

Исследователи обнаружили, что в условиях, соответствующих эксперименту, образуется структура, очень похожая на уже известный протон-упорядоченный гидрат С1, но отличающаяся от него ориентацией молекул воды. Им удалось показать, что при комнатной температуре должно наблюдаться протонное разупорядочение, что объяснило экспериментальные данные по дифракции рентгеновских лучей и рамановским спектрам.