Forskere opdager trykinduceret polyamorfisme i tæt svovldioxid

Nogle stoffer vides at eksistere i flere forskellige strukturelt forstyrrede faste tilstande, et fænomen kendt som polyamorfisme.

Det første og måske mest berømte eksempel på polyamorf adfærd blev opdaget i vandis i 1984 af Mishima et al. To forskellige former for amorf vandis blev identificeret, kendt som amorfe lavdensitets- og amorfe is med høj densitet. Senere, lignende fænomener blev også observeret i andre vigtige systemer som Si, SiO ₂ , og GeO ₂ .

I fysik af kondenseret stof, polyamorfisme er et meget interessant, men dårligt forstået fænomen.

For nylig, et team af kinesiske forskere og deres samarbejdspartnere ved Institute of Solid State Physics i Hefei Institutes of Physical Science undersøgte polyamorfisme i det molekylære stof SO ₂ .

Mens du udforsker faseovergang i tæt SO ₂ , de fandt trykinduceret amorfisering i tæt SO ₂ og en reversibel trykinduceret strukturel transformation mellem de molekylære amorfe og polymere amorfe former af SO ₂ . Dette værk blev offentliggjort i PNAS den 4. april, 2020.

SÅ ₂ spiller en væsentlig rolle i kemiforskning og i jordens og atmosfærens fysik. Mens egenskaber ved lignende faste molekylære systemer som CO ₂ eller N. ₂ ved højt tryk er blevet grundigt undersøgt, mere forskning om tæt SO ₂ , især dets adfærd og egenskaber, mangler stadig at blive gjort.

I dette studie, forskere kiggede nærmere på dette simple molekyle gennem en kombineret eksperimentel og beregningsmæssig indsats, der forsøgte at beskrive nogle nye og uventede fænomener.

Ved at bruge eksperimentelle teknikker til Raman-spektroskopi og røntgendiffraktion ved høje tryk, de komprimerede SÅ ₂ op til 60 GPa med en diamantamboltcelle og udforskede faseovergange og strukturer af SO ₂ op til 60 GPa og ved temperaturer fra 77-300 K.

Ved 77 K og under 16 GPa, svovldioxid var krystallinsk. Når komprimeret til 16 GPa, svovldioxidet i den krystallinske fase gennemgik trykinduceret amorfisering og trådte ind i den amorfe fase af molekylær tilstand. Når den yderligere komprimeres til over 26 GPa, en faseovergang fandt sted fra den molekylære amorfe fase (to-koordineret svovl) til den kædepolymeriske amorfe fase (tre-koordineret svovl).

Forskerne studerede flere forskellige temperaturveje og fandt ud af, at faseovergangsstien i tæt SO ₂ gik fra den krystallinske til den molekylære amorfe fase og derefter til den polymere amorfe fase over hele temperaturområdet på 77-300 K. De opdagede også, at faseovergangsstien var reversibel.

Desuden, amorfiseringstrykket ændrede sig med temperaturen, fra 10-16 GPa på tværs af temperaturintervallet 77-300 K.

For at teste deres observationer, teamet brugte molekylære dynamiksimuleringer, og det samme fænomen blev også observeret. I særdeleshed, den høje tryk polymere amorfe form viste sig hovedsageligt at bestå af uordnede polymere kæder fremstillet af tre-koordinerede svovlatomer forbundet via oxygenatomer, og få resterende intakte molekyler.

Den amorfe molekylære til amorfe polymere overgang, der er identificeret i denne forskning, kan også tyde på den mulige eksistens af en lignende overgang i flydende tilstand.