Forskare från USA, Kina och Ryssland har beskrivit strukturen och egenskaperna hos ett nytt väteklatrathydrat som bildas vid rumstemperatur och relativt lågt tryck. Vätehydrater är en potentiell lösning för lagring och transport av väte, det mest miljövänliga bränslet. Forskningen publicerades i tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Is är ett mycket komplext ämne som har flera polymorfa modifieringar som fortsätter att växa i antal när forskare gör nya upptäckter. De fysiska egenskaperna hos is varierar mycket, också:till exempel vätebindningar blir symmetriska vid höga tryck, gör det omöjligt att urskilja en enda vattenmolekyl, medan låga tryck orsakar protonstörning, placera vattenmolekyler i många möjliga rumsliga orienteringar inom kristallstrukturen. Is omkring oss, inklusive snöflingor, är alltid protonstörd. Is kan innehålla xenon, klor, koldioxid- eller metanmolekyler och bildar gashydrater som ofta har en annan struktur än ren is. Den stora delen av jordens naturgas finns i form av gashydrater.

I deras nya studie, kemister från USA, Kina och Ryssland fokuserade på vätehydrater. Gashydrater har stort intresse både för teoretisk forskning och praktiska tillämpningar, såsom vätelagring. Om det förvaras i sin naturliga form, väte utgör en explosionsrisk, medan densiteten är alldeles för låg även i komprimerat väte. Det är därför forskare letar efter kostnadseffektiva lösningar för vätgaslagring.

"Det här är inte första gången vi vänder oss till vätehydrater. I vår tidigare forskning, vi förutspådde ett nytt vätehydrat med 2 vätemolekyler per vattenmolekyl. Tyvärr, detta exceptionella hydrat kan bara existera vid tryck över 380, 000 atmosfärer, som är lätt att uppnå i labbet, men är knappast användbar i praktiska tillämpningar. Vårt nya dokument beskriver hydrater som innehåller mindre väte men kan existera vid mycket lägre tryck, ", säger Skoltech-professorn Artem R. Oganov.

Kristallstrukturen hos vätehydrater beror starkt på trycket. Vid låga tryck, den har stora håligheter som, enligt Oganov, liknar kinesiska lyktor, var och en rymmer vätemolekyler. När trycket ökar, strukturen blir tätare, med fler vätemolekyler packade i kristallstrukturen, även om deras frihetsgrader blir betydligt färre.

I sin forskning publicerad i Fysiska granskningsbrev , forskarna från Carnegie Institution of Washington (USA) och Institute of Solid State Physics i Hefei (Kina) ledd av Alexander F. Goncharov, professor vid dessa två institutioner, utfört experiment för att studera egenskaperna hos olika vätehydrater och upptäckte ett ovanligt hydrat med 3 vattenmolekyler per vätemolekyl. Teamet ledd av professor Oganov använde USPEX evolutionära algoritm som utvecklats av Oganov och hans elever för att pussla ut substansens struktur som är ansvarig för dess säregna beteende. Forskarna simulerade de förhållanden som användes i experimentet och fann en ny struktur som mycket liknar det kända protonordnade C1-hydratet men som skiljer sig från C1 i vattenmolekylernas orientering. Teamet visade att protonstörning bör inträffa vid rumstemperatur, sålunda förklarar röntgendiffraktions- och Ramanspektrumdata erhållna i experimentet.