In samenwerking met wetenschappers van de Jilin University in China ontdekte een groep Skoltech-onderzoekers onder leiding van professor Artem R. Oganov een unieke verbinding:strontiumhydride SrH₂₂ . Het heeft het hoogste waterstofgehalte dat tot nu toe bekend is en is stabiel bij een druk van 80-140 gigapascal (ongeveer een miljoen atmosfeer). De verkregen verbinding heeft mobiele waterstofatomen die lading kunnen transporteren.

De "jacht" op polyhydriden - verbindingen met een hoog waterstofgehalte - begon in 2015, toen een groep wetenschappers uit Duitsland experimenteel aantoonde dat zwavelhydride H₂ bij een druk van 150 gigapascal S verandert in een nieuwe verbinding:zwaveltrihydride H₃ S, die een supergeleider bij hoge temperaturen bleek te zijn, verloor elektrische weerstand bij een toen recordtemperatuur van 203 Kelvin (-70 graden Celsius). Dit was een vrij significante temperatuurstijging in vergelijking met eerder bekende supergeleiders.

"Het uiteindelijke doel van het bestuderen van deze 'vreemde' verbindingen is om te bepalen welke supergeleidend zijn bij bijna kamertemperatuur en op zijn minst hoge, of beter nog, lage druk. Enkele van de beste tot nu toe bekende hoge-temperatuur-supergeleiders, zoals YH ₆ en (La,Y)H₁₀ , zijn in ons laboratorium bestudeerd met behulp van het USPEX-algoritme", zegt Skoltech-professor Artem R. Oganov, de maker van een uniek algoritme voor het voorspellen van kristalstructuren. Voor elke combinatie van chemische elementen bepaalt het wat hun verbindingen zijn stabiel en welke structuren ze vormen.

In het nieuwe werk wendden de wetenschappers zich tot strontium om te zien of het stabiele polyhydriden kan vormen. Het USPEX-algoritme voorspelde theoretisch dat de stabiele verbinding SrH₂₂ zou moeten bestaan ​​bij een druk van 80-140 GPa. Een onderzoeksgroep van professoren Xiaoli Huang en Tian Cui van Jilin University voerde een experiment uit met de synthese van strontiumpolyhydriden, waarbij moleculaire waterstof werd gedoteerd met strontium, wat inhoudt dat een kleine hoeveelheid van dit metaal als onzuiverheid wordt toegevoegd. Om de vorming van stabiel strontiumpolyhydride in het experiment te bevestigen, werd het kristalrooster ervan onderzocht door middel van röntgendiffractie-analyse. Het resulterende patroon kwam volledig overeen met de kristalstructuur van SrH₂₂ .

"Experiment en theorie vullen elkaar aan. De experimentele benadering op basis van röntgendiffractie kan de ruimtelijke rangschikking van waterstofatomen niet bepalen. Maar de theorie kan niet alleen hun locatie voorspellen, maar ook de dynamica, ladingen en transporteigenschappen. In onze studie hebben we ontdekte dat strontiumatomen op een zeer geordende manier zijn gerangschikt, terwijl waterstofatomen in de ruimte worden 'uitgesmeerd', constant in beweging zijn en zich in het algemeen meer als vloeistof gedragen", zegt Skoltech Ph.D. student, de eerste auteur van het artikel, Dmitrii Semenok.

Het experimenteel bevestigde strontiumpolyhydride SrH₂₂ , de tot nu toe bekende waterstofrijke verbinding, bestaat uit H₂ moleculen verdeeld rond een sterk georganiseerd strontiumsubrooster. Bovendien maakt de hoge mobiliteit van waterstof SrH₂₂ een goede ionengeleider, die de mogelijkheid opent om het te gebruiken voor elektrochemische transformaties onder hoge druk. Hierdoor kunnen nieuwe waardevolle polyhydriden worden verkregen die niet rechtstreeks uit metalen en waterstof kunnen worden gesynthetiseerd. Een andere mogelijke toepassing van deze ontdekking is het ontwerpen van nieuwe verbindingen voor waterstofbatterijen.

"Je kunt je voorstellen dat we een doos met Lego-onderdelen hebben, we graven erin en proberen erachter te komen welke onderdelen aan onze behoeften voldoen. We kwamen erachter dat de elementen van de tweede en derde groep van het periodiek systeem het gunstigst zijn voor de vorming van hoge-temperatuur supergeleiders. Strontium is er een van, maar nu zien we dat het in zijn pure vorm niet helemaal geschikt is. Toch zijn de hydriden ervan zeer interessant vanuit chemisch oogpunt, en als het gedoteerd is met andere metalen met meer elektronen -yttrium, zirkonium, titanium - het is misschien mogelijk om supergeleiding bij hoge temperaturen te verkrijgen. Dus we bestudeerden het bijbehorende 'Lego-stuk' en realiseerden ons dat het niet op zichzelf past, maar als het met iets anders wordt gecombineerd, zou het kunnen werken." Oganov legt uit. + Verder verkennen

Wetenschappers vinden een regel om nieuwe supergeleidende metaalhydriden te voorspellen