Ett internationellt team har avslöjat en överraskande universell benägenhet att bilda stabila hybridföreningar under högt tryck.
Hybridmaterialen, som består av oorganiska komponenter och små molekyler (SM), har fått intensiv uppmärksamhet på grund av sin unika kemiska struktur, fysikaliska egenskaper och potentiella tillämpningar. Men dessa unika egenskaper innebär också utmaningar för materialsyntes, karakterisering och den grundläggande förståelsen av deras kemiska beteende. Högtryck har visat sig vara ett kraftfullt verktyg för att syntetisera nya material.
Under dessa förhållanden kan de kemiska egenskaperna hos grundämnen och styrkorna hos de homonukleära och heteronukleära bindningarna förändras drastiskt, vilket leder till bildandet av många atypiska föreningar med icke-intuitiva sammansättningar och strukturer.
Teamet kombinerade kristallstruktursökningssimuleringar baserade på svärmintelligensalgoritmen som implementerades i CALYPSO-programmet och ab initio totalenergi- och kraftberäkningar för att systematiskt undersöka reaktiviteten hos många kovalent bundna molekyler som H2 , H2 O, NH3 , CH4 och CO2 med NaCl, en prototyp av jonisk fast förening.
Beräkningarna visar att dessa molekyler, trots om de är homonukleära eller heteronukleära, polära eller opolära, små eller stora, alla kan reagera med NaCl och bilda termodynamiskt stabila föreningar under förhöjda tryck. Överraskande nog uppträder dessa molekyler som insatta enheter och bibehåller sin kemiska integritet i de nya hybridföreningarna.
De visar inga starka kemiska interaktioner med omgivande Na- och Cl-joner, trots att vissa av molekylerna är kemiskt mycket aktiva. Däremot den mest stabila molekylen bland alla studerade exempel, N2 , visar sig omvandlas till cyklo-N5 - anjoner medan de reagerar med NaCl under höga tryck. Det ger en ny väg för att syntetisera pentazolater, som är lovande gröna energimaterial med hög energitäthet.
Förutom att tillhandahålla en ny väg för att erhålla nya hybridmaterial, ger den här undersökningen också nyckelinformation för förståelsen av den inre strukturen och dynamiken hos många gigantiska planeter. Dessa planeter består av både kovalent bundna molekyler och fasta mineraler, separerade i olika lager med stora dispersiva regioner. De kemiska interaktionerna mellan deras molekylära och fasta tillståndssammansättningar bestämmer deras struktur och dynamik.
Studien är publicerad i tidskriften National Science Review .
I forskargruppen ingick prof. Feng Peng från Luoyang Normal University, prof. Yanming Ma och Hanyu Liu från Jilin University, Prof. Chris Pickard från Cambridge University, och Prof. Maosheng Miao från California State. University Northridge
Mer information: Feng Peng et al, Universell insättning av molekyler i joniska föreningar under tryck, National Science Review (2024). DOI:10.1093/nsr/nwae016
Tillhandahålls av Science China Press
