En universel indsættelse af forskellige molekyler i ioniske krystaller under højt tryk

Et internationalt hold har afsløret en overraskende universel tilbøjelighed til at danne stabile hybridforbindelser under højt tryk.

Hybridmaterialerne, som består af uorganiske komponenter og små molekyler (SM), har fået intensiv opmærksomhed på grund af deres unikke kemiske struktur, fysiske egenskaber og potentielle anvendelser. Disse unikke egenskaber pålægger imidlertid også udfordringer for materialesyntese, karakterisering og den grundlæggende forståelse af deres kemiske adfærd. Højtryk har vist sig at være et stærkt værktøj til at syntetisere nye materialer.

Under disse forhold kan grundstoffernes kemiske egenskaber og styrkerne af de homonukleære og heteronukleære bindinger ændre sig drastisk, hvilket fører til dannelsen af ​​mange atypiske forbindelser med ikke-intuitive sammensætninger og strukturer.

Holdet kombinerede krystalstruktursøgningssimuleringer baseret på sværm-intelligensalgoritmen som implementeret i CALYPSO-programmet og ab initio totalenergi- og kraftberegninger for systematisk at undersøge reaktiviteten af ​​mange kovalent bundne molekyler såsom H₂ , H₂ O, NH₃ , CH₄ og CO₂ med NaCl, en prototype af ionisk fast forbindelse.

Beregningerne viser, at disse molekyler, uanset om de er homonukleære eller heteronukleære, polære eller ikke-polære, små eller store, alle kan reagere med NaCl og danne termodynamisk stabile forbindelser under forhøjede tryk. Overraskende nok præsenterer disse molekyler sig som indsatte enheder og bevarer deres kemiske integritet i de nye hybridforbindelser.

De viser ikke stærke kemiske interaktioner med omgivende Na- og Cl-ioner, på trods af at nogle af molekylerne er kemisk meget aktive. I modsætning hertil er det mest stabile molekyle blandt alle undersøgte eksempler, N₂ , er fundet at transformere til cyclo-N₅ ^- anioner, mens de reagerer med NaCl under høje tryk. Det giver en ny vej til at syntetisere pentazolater, som er lovende grønne energimaterialer med høj energitæthed.

Udover at give en ny vej til at opnå nye hybridmaterialer, giver denne undersøgelse også nøgleoplysninger til forståelsen af ​​den indre struktur og dynamikken i mange gigantiske planeter. Disse planeter består af både kovalent bundne molekyler og faststofmineraler, adskilt i forskellige lag med store dispersive områder. De kemiske interaktioner mellem deres molekylære og faststofsammensætninger bestemmer deres struktur og dynamik.

Undersøgelsen er publiceret i tidsskriftet National Science Review .

Forskerholdet omfattede Prof. Feng Peng fra Luoyang Normal University, Profs. Yanming Ma og Hanyu Liu fra Jilin University, Prof. Chris Pickard fra Cambridge University og Prof. Maosheng Miao fra California State. University Northridge

Flere oplysninger: Feng Peng et al., Universal insertion af molekyler i ioniske forbindelser under tryk, National Science Review (2024). DOI:10.1093/nsr/nwae016

Leveret af Science China Press