Nieuw werk van Carnegie's Ivan Naumov en Russell Hemley duikt in de chemie die ten grondslag ligt aan enkele verrassende recente observaties over waterstof, en onthult opmerkelijke parallellen tussen waterstof en grafeen onder extreme druk. Hun werk is het omslagverhaal in het decembernummer van Rekeningen van chemisch onderzoek .

Waterstof is het meest voorkomende element in de kosmos. Met slechts een enkel elektron per atoom, het is bedrieglijk eenvoudig. Als resultaat, waterstof is een proeftuin geweest voor theorieën over de chemische binding sinds de geboorte van de kwantummechanica een eeuw geleden. Het begrijpen van de aard van chemische binding in extreme omgevingen is cruciaal voor het uitbreiden van ons begrip van materie over het brede scala aan omstandigheden in het universum.

Het observeren van het gedrag van waterstof onder zeer hoge druk was een grote uitdaging voor onderzoekers. Maar recentelijk hebben teams kunnen waarnemen dat het bij een druk van 2 tot 3,5 miljoen keer de normale atmosferische druk verandert in een onverwachte structuur bestaande uit gelaagde platen, in plaats van een dicht opeengepakt metaal zoals vele jaren geleden was voorspeld.

Deze waterstofvellen lijken op de koolstofverbinding grafeen. De lagen van grafeen zijn elk opgebouwd uit een honingraatstructuur gemaakt van koolstofringen met zes atomen. Dit conventionele koolstofgrafeen, ongeveer tien jaar geleden voor het eerst gesynthetiseerd, is erg licht, maar ongelooflijk sterk, en geleidt warmte en elektriciteit zeer efficiënt. Deze eigenschappen beloven revolutionaire technologie, inclusief geavanceerde optische elektronica voor schermen, hoogfunctionerende fotovoltaïsche cellen, en verbeterde batterijen en andere energieopslagapparaten.

Het nieuwe werk van Naumov en Hemley laat zien dat de stabiliteit van de ongebruikelijke waterstofstructuur voortkomt uit de intrinsieke stabiliteit van zijn waterstofringen. Deze ringen worden gevormd door de zogenaamde aromaticiteit, die goed wordt begrepen in koolstofhoudende moleculen zoals benzeen, evenals in grafeen. Aromatische structuren nemen een ringachtige vorm aan die kan worden gezien als afwisselend enkel- en dubbelgebonden koolstoffen. Maar wat er feitelijk gebeurt, is dat de elektronen die deel uitmaken van deze theoretisch alternerende bindingen gedelokaliseerd worden en in een gedeelde cirkel rond de binnenkant van de ring zweven. stabiliteit vergroten.

De studie van Naumov en Hemley geeft ook aan dat waterstof in eerste instantie een donker, slecht geleidend metaal wordt zoals grafiet in plaats van een conventioneel glanzend metaal en een goede geleider, zoals oorspronkelijk werd gesuggereerd in theoretische berekeningen die teruggaan tot de jaren 1930 met behulp van vroege kwantummechanische modellen voor vaste stoffen.

Hoewel de ontdekking van dit gelaagde plaatkarakter van dichte waterstof voor velen als een verrassing kwam, 30 jaar geleden - vóór de ontdekking van grafeen - voorspelden scheikundigen de structuur op basis van eenvoudige chemische overwegingen. Hun werk wordt gevalideerd en uitgebreid door de nieuwe bevindingen.

"Algemeen, onze resultaten geven aan dat chemische binding plaatsvindt onder een veel breder scala aan omstandigheden dan mensen eerder hadden overwogen. Echter, de structurele effecten van die chemische binding onder extreme omstandigheden kunnen heel anders zijn dan die waargenomen onder de gewone omstandigheden die ons bekend zijn, ' zei Hemley.