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美科研人员新发现:在极端高压下,氢可变“石墨烯”

新型高效能量转换与储存技术   高效节能技术  

发布时间:2017-07-14 10:40    浏览量:2972

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    华盛顿卡耐基研究院的科研人员伊凡·瑙莫夫和罗素·赫姆利对氢的化学性质进行深入研究后发现,在极端压力下,氢与石墨烯具有惊人的相似之处。
    科技日报讯(记者刘园园)华盛顿卡耐基研究院的科研人员伊凡·瑙莫夫和罗素·赫姆利对氢的化学性质进行深入研究后发现,在极端压力下,氢与石墨烯具有惊人的相似之处。这一研究成果是12月份《化学研究述评》的封面推荐文章。
    瑙莫夫和赫姆利的科研团队在正常大气压的200万至350万倍压力条件下对氢的变化进行了观察。出人意料的是,在极端高压条件下氢转化成了单层片状结构,与多年前科学家的预测大相径庭。
    氢是宇宙中最丰富的元素。氢的结构简单得出奇——每个氢原子由一个单电子构成。早在一个世纪以前量子力学诞生时,氢就成了化学键理论的试验场。不过,上世纪30年代科学家利用早期量子力学模型推测,极端高压条件下氢会变成像金属一样光泽且导电性强的物质。
    据物理学家组织网12月17日(北京时间)报道,科研人员发现,氢环(6个氢原子)的单层片状结构与碳的化合物石墨烯十分类似。每层石墨烯都包含若干由6个碳原子构成的碳环并呈现出蜂窝状结构。石墨烯约在10年前合成,它的质量很轻,但是却极其强韧,而且具有非常好的导电、导热性能。这些特征预示着一系列革命性技术,例如先进的光学电子屏幕、高性能光伏电池等。
    研究结果表明,特殊条件下氢结构的稳定性源于氢环的内在稳定性。这些氢环也具有“芳香性”,这在含碳分子苯以及石墨烯中是很好理解的:芳香结构呈现出一种环状,可以看作是单键碳原子和双键碳原子的交替排列。实际上,构成这些单双键原子交替排列的电子会在环形结构的内侧漂浮,这增加了环形结构的稳定性。
    这一研究推翻了一个预测,也证实了另一个预测。尽管发现致密的氢原子单层片状结构让很多人感到惊讶,然而在三十年前,石墨烯未被发现之时,化学家就曾根据简单的化学理论预测出这种结构。这次研究对此有所证实,而且有进一步发现。

    百万倍大气压,在地球上算是极端高压条件了,但放到整个宇宙中,这恐怕就变成再普通不过的情况了。作为元素周期表上的起始元素和宇宙中最丰富的元素,氢在所谓高压条件下的种种变化都将是我们窥探宇宙结构的一个窗口。当然,氢能变“石墨烯”,其它元素怎么样呢?科学家们会有兴趣继续尝试的。

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