Chemiker entdecken eine neue Form von Eis

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Wissenschaftler aus den Vereinigten Staaten, China und Russland haben die Struktur und die Eigenschaften eines neuartigen Wasserstoff-Clathrat-Hydrats beschrieben, das sich bei Raumtemperatur und relativ niedrigem Druck bildet. Wasserstoffhydrate sind eine mögliche Lösung für die Speicherung und den Transport von Wasserstoff, dem umweltfreundlichsten Kraftstoff.

Die Forschungsarbeit wurde in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.
Eis ist eine hochkomplexe Substanz mit zahlreichen polymorphen Modifikationen, deren Zahl mit den Entdeckungen der Wissenschaftler ständig wächst.

Auch die physikalischen Eigenschaften von Eis variieren stark: So werden Wasserstoffbrückenbindungen bei hohem Druck symmetrisch, was es unmöglich macht, ein einzelnes Wassermolekül zu unterscheiden, während niedrige Drücke eine Protonenunordnung verursachen, die Wassermoleküle in viele mögliche räumliche Orientierungen innerhalb der Kristallstruktur bringt.

Das Eis um uns herum, einschließlich Schneeflocken, ist immer protonenungeordnet.

Eis kann Xenon-, Chlor-, Kohlendioxid- oder Methanmoleküle einschließen und Gashydrate bilden, die oft eine andere Struktur als reines Eis aufweisen.

Der überwiegende Teil des Erdgases liegt in Form von Gashydraten vor.
In ihrer neuen Studie konzentrierten sich Chemiker aus den Vereinigten Staaten, China und Russland auf Wasserstoffhydrate. Gashydrate sind sowohl für die theoretische Forschung als auch für praktische Anwendungen, wie die Speicherung von Wasserstoff, von großem Interesse.

Wird Wasserstoff in seiner natürlichen Form gespeichert, besteht Explosionsgefahr, während die Dichte selbst bei komprimiertem Wasserstoff viel zu gering ist.

Deshalb suchen Wissenschaftler nach kostengünstigen Lösungen zur Wasserstoffspeicherung.

“Es ist nicht das erste Mal, dass wir uns mit Wasserstoffhydraten beschäftigen.

In unserer früheren Forschung haben wir ein neuartiges Wasserstoffhydrat mit 2 Wasserstoffmolekülen pro Wassermolekül vorhergesagt. Leider kann dieses außergewöhnliche Hydrat nur bei Drücken über 380.000 Atmosphären existieren, was im Labor leicht zu erreichen, aber in der Praxis kaum zu gebrauchen ist. Unsere neue Arbeit beschreibt Hydrate, die weniger Wasserstoff enthalten, aber bei viel niedrigeren Drücken existieren können”, sagt Skoltech-Professor Artem R. Oganov.
Die Kristallstruktur von Wasserstoffhydraten hängt stark vom Druck ab.

Bei niedrigem Druck hat sie große Hohlräume, die laut Oganov chinesischen Laternen ähneln und jeweils Wasserstoffmoleküle beherbergen.

Mit steigendem Druck wird die Struktur dichter, wobei mehr Wasserstoffmoleküle in die Kristallstruktur gepackt werden, obwohl ihre Freiheitsgrade deutlich geringer werden.
In ihrer in den Physical Review Letters veröffentlichten Forschungsarbeit führten die Wissenschaftler der Carnegie Institution of Washington (USA) und des Institute of Solid State Physics in Hefei (China) unter der Leitung von Alexander F. Goncharov, Professor an diesen beiden Einrichtungen, Experimente zur Untersuchung der Eigenschaften verschiedener Wasserstoffhydrate durch und entdeckten ein ungewöhnliches Hydrat mit 3 Wassermolekülen pro Wasserstoffmolekül.

Das Team um Professor Oganov nutzte den von Oganov und seinen Studenten entwickelten evolutionären Algorithmus USPEX, um die Struktur der Verbindung zu enträtseln, die für ihr eigenartiges Verhalten verantwortlich ist.

Die Forscher simulierten die Bedingungen des Experiments und fanden eine neue Struktur, die dem bekannten protonen-geordneten C1-Hydrat sehr ähnlich ist, sich aber in der Orientierung der Wassermoleküle von C1 unterscheidet.

Das Team zeigte, dass die Protonen-Unordnung bei Raumtemperatur auftreten sollte, was die im Experiment erhaltenen Röntgenbeugungs- und Ramanspektrumsdaten erklärt.
Referenz: “Novel Hydrogen Clathrate Hydrate” von Yu Wang, Konstantin Glazyrin, Valery Roizen, Artem R. Oganov, Ivan Chernyshov, Xiao Zhang, Eran Greenberg, Vitali B. Prakapenka, Xue Yang, Shu-qing Jiang und Alexander F. Goncharove, 18 December 2020, Physical Review Letters.DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.255702

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