Nytt arbete från Carnegies Ivan Naumov och Russell Hemley fördjupar sig i kemin som ligger bakom några överraskande nyliga observationer om väte, och avslöjar anmärkningsvärda paralleller mellan väte och grafen under extrema tryck. Deras arbete är omslagsberättelsen i decembernumret av Redovisningar för kemisk forskning .

Väte är det vanligaste grundämnet i kosmos. Med bara en enda elektron per atom, det är bedrägligt enkelt. Som ett resultat, väte har varit en testplats för teorier om den kemiska bindningen sedan kvantmekanikens födelse för ett sekel sedan. Att förstå naturen av kemisk bindning i extrema miljöer är avgörande för att utöka vår förståelse av materia över det breda utbudet av förhållanden som finns i universum.

Att observera vätgas beteende under mycket höga tryck har varit en stor utmaning för forskare. Men nyligen har team kunnat observera att vid tryck på 2 till 3,5 miljoner gånger normalt atmosfärstryck förvandlas det till en oväntad struktur bestående av skiktade ark, snarare än en tätpackad metall som förutspåtts för många år sedan.

Dessa väteplattor liknar kolföreningen grafen. Grafens lager är vart och ett konstruerat av en bikakestruktur gjord av sexatomiga kolringar. Denna konventionella kolgrafen, syntetiserades först för ungefär ett decennium sedan, är väldigt lätt, men otroligt stark, och leder värme och el mycket effektivt. Dessa egenskaper lovar revolutionerande teknik, inklusive avancerad optisk elektronik för skärmar, högfungerande fotovoltaiska celler, och förbättrade batterier och andra energilagringsenheter.

Det nya arbetet från Naumov och Hemley visar att stabiliteten hos den ovanliga vätestrukturen härrör från den inneboende stabiliteten hos dess väteringar. Dessa ringar bildas på grund av så kallad aromaticitet, vilket är väl förstått i kolhaltiga molekyler som bensen, samt i grafen. Aromatiska strukturer antar en ringliknande form som kan ses som omväxlande enkel- och dubbelbundna kol. Men vad som faktiskt händer är att elektronerna som utgör dessa teoretiskt alternerande bindningar blir delokaliserade och flyter i en delad cirkel runt insidan av ringen, öka stabiliteten.

Naumov och Hemleys studie indikerar också att väte initialt blir en mörk, dåligt ledande metall som grafit istället för en konventionell glänsande metall och en bra ledare, som ursprungligen föreslogs i teoretiska beräkningar som går tillbaka till 1930-talet med tidiga kvantmekaniska modeller för fasta ämnen.

Även om upptäckten av denna skiktade arkkaraktär av tätt väte har kommit som en överraskning för många, kemister för 30 år sedan – före upptäckten av grafen – förutspådde strukturen utifrån enkla kemiska överväganden. Deras arbete valideras och utökas av de nya rönen.

"Övergripande, våra resultat indikerar att kemisk bindning sker över ett mycket bredare spektrum av tillstånd än vad människor tidigare hade trott. Dock, de strukturella effekterna av den kemiska bindningen under extrema förhållanden kan vara mycket annorlunda än de som observeras under de vanliga förhållanden som är bekanta för oss, sa Hemley.