Neue Studie zeigt neuartige Kristallstruktur für Wasserstoff unter hohem Druck
Forscher identifizieren eine potenzielle Kristallphase für Wasserstoff, der bei extremem Druck erstarrt ist
Die Elemente im Periodensystem können mehrere Formen annehmen. Kohlenstoff zum Beispiel existiert als Diamant oder Graphit, je nach den Umweltbedingungen zum Zeitpunkt der Entstehung. Kristallstrukturen, die sich in Ultrahochdruckumgebungen gebildet haben, sind besonders wichtig, da sie Aufschluss über die Entstehung von Planeten geben. Es ist jedoch schwierig, solche Umgebungen im Labor nachzubilden, und Materialwissenschaftler sind oft auf Simulationsvorhersagen angewiesen, um die Existenz solcher Strukturen zu ermitteln.
Eine neue Kristallstruktur (atomares Anordnungsmuster), der so genannte P21/c-8-Typ, der unter sehr hohem Druck, z. B. tief im Erdinneren, entstehen soll.
Ryo Maezono from JAIST
In dieser Hinsicht ist Wasserstoff besonders wichtig, um die Verteilung der Materie im Universum und das Verhalten von riesigen Gasplaneten zu analysieren. Die Kristallstrukturen von festem Wasserstoff, der sich unter hohem Druck bildet, sind jedoch immer noch umstritten, da es schwierig ist, Experimente mit Hochdruckwasserstoff durchzuführen. Darüber hinaus wird das Strukturmuster durch ein empfindliches Gleichgewicht von Faktoren bestimmt, zu denen elektrische Kräfte auf die Elektronen und quantenmechanische Fluktuationen gehören, und bei Wasserstoff sind die Fluktuationen besonders groß, was die Vorhersage seiner Kristallphasen noch schwieriger macht.
In einer gemeinsamen Studie, die in der Fachzeitschrift Physical Review B veröffentlicht wurde, hat ein internationales Forscherteam unter Beteiligung von Professor Ryo Maezono und Associate Professor Kenta Hongo vom Japan Advanced Institute of Science and Technology dieses Problem mit einer ausgeklügelten Kombination aus Supercomputersimulationen und Datenwissenschaft angegangen und verschiedene Kristallstrukturen für Wasserstoff bei niedrigen Temperaturen nahe 0 K und hohen Drücken ermittelt.
"Für Kristallstrukturen unter hohem Druck konnten wir mit Hilfe einer neueren datenwissenschaftlichen Methode, wie genetischen Algorithmen usw., mehrere Kandidatenmuster erzeugen. Aber ob es sich bei diesen Kandidaten wirklich um die Phasen handelt, die unter hohem Druck überleben, lässt sich nur durch hochauflösende Simulationen feststellen", erklärt Prof. Maezono.
Dementsprechend suchte das Team nach verschiedenen möglichen Strukturen, die sich mit 2 bis 70 Wasserstoffatomen bei hohen Drücken von 400 bis 600 Gigapascal (GPa) bilden können, indem es eine Technik namens "Partikelschwarm-Optimierung" und Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) einsetzte und ihre relative Stabilität mit Hilfe der Quanten-Monte-Carlo-Methode nach den ersten Prinzipien und DFT-Nullpunktenergiekorrekturen abschätzte.
Die Suche ergab 10 mögliche Kristallstrukturen, die zuvor nicht experimentell gefunden worden waren, darunter neun Molekülkristalle und eine Mischstruktur, Pbam-8, die abwechselnd aus atomaren und molekularen Kristallschichten besteht. Sie stellten jedoch fest, dass alle 10 Strukturen strukturelle dynamische Instabilitäten aufwiesen. Um eine stabile Struktur zu erhalten, entspannte das Team Pbam-8 in Richtung der Instabilität, um eine neue dynamisch stabile Struktur namens P21/c-8 zu bilden. "Die neue Struktur ist ein vielversprechender Kandidat für die feste Wasserstoffphase, die unter Hochdruckbedingungen, wie sie tief im Erdinneren herrschen, realisiert wird", sagt Dr. Hongo.
Die neue Struktur erwies sich als stabiler als Cmca-12, eine Struktur, die zuvor als gültiger Kandidat für die H2-PRE-Phase identifiziert wurde, eine der sechs strukturellen Phasen, die für festen Wasserstoff bei hohem Druck (360 bis 495 GPa) identifiziert wurden und die bei nahezu 0 K stabil ist. Das Team bestätigte seine Ergebnisse außerdem durch den Vergleich des Infrarotspektrums der beiden Strukturen, das ein ähnliches Muster ergab, wie es typischerweise für die H2-PRE-Phase beobachtet wird.
Auch wenn dies ein interessanter Befund ist, erklärt Prof. Maezono die Bedeutung der Ergebnisse: "Das Wasserstoffkristallproblem ist eines der schwierigsten und hartnäckigsten Probleme in der Materialwissenschaft. Je nach Art der verwendeten Näherung können die Vorhersagen stark variieren, und die Vermeidung von Näherungen ist eine typische Herausforderung. Da unser Ergebnis nun verifiziert ist, können wir unsere Forschungen zu anderen Strukturvorhersageproblemen fortsetzen, wie z. B. zu Silizium- und Magnesiumverbindungen, die einen erheblichen Einfluss auf die Erd- und Planetenforschung haben.
Es sieht so aus, als ob uns noch mehr solcher spannenden Entdeckungen am Horizont erwarten!
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