Det enkleste element:At omdanne brint til grafen

Nyt arbejde fra Carnegies Ivan Naumov og Russell Hemley dykker ned i den kemi, der ligger til grund for nogle overraskende nylige observationer om brint, og afslører bemærkelsesværdige paralleller mellem brint og grafen under ekstreme tryk. Deres arbejde er forsidehistorien i decembernummeret af Beretninger om kemisk forskning .

Brint er det mest udbredte grundstof i kosmos. Med kun en enkelt elektron pr. atom, det er vildledende simpelt. Som resultat, brint har været en prøveplads for teorier om den kemiske binding siden fødslen af ​​kvantemekanikken for et århundrede siden. At forstå karakteren af ​​kemisk binding i ekstreme miljøer er afgørende for at udvide vores forståelse af stof over den brede vifte af forhold, der findes i universet.

At observere brints adfærd under meget høje tryk har været en stor udfordring for forskere. Men for nylig har hold været i stand til at observere, at ved tryk på 2-3,5 millioner gange normalt atmosfærisk tryk forvandles det til en uventet struktur bestående af lagdelte plader, frem for et tætpakket metal, som det var blevet forudsagt for mange år siden.

Disse brintplader ligner kulstofforbindelsen grafen. Grafens lag er hver konstrueret af en honeycomb struktur lavet af seks-atom carbon ringe. Denne konventionelle carbongrafen, første gang syntetiseret for omkring et årti siden, er meget let, men utrolig stærk, og leder varme og elektricitet meget effektivt. Disse egenskaber lover revolutionerende teknologi, inklusive avanceret optisk elektronik til skærme, højfungerende fotovoltaiske celler, og forbedrede batterier og andre energilagringsenheder.

Det nye arbejde fra Naumov og Hemley viser, at stabiliteten af ​​den usædvanlige brintstruktur opstår fra dens iboende stabilitet af dens brintringe. Disse ringe dannes på grund af såkaldt aromaticitet, som er velkendt i kulstofholdige molekyler såsom benzen, samt i grafen. Aromatiske strukturer antager en ringlignende form, der kan opfattes som vekslende enkelt- og dobbeltbundet kulstof. Men hvad der faktisk sker er, at elektronerne, der udgør disse teoretisk alternerende bindinger, bliver delokaliserede og flyder i en delt cirkel rundt om indersiden af ​​ringen, øget stabilitet.

Naumov og Hemleys undersøgelse indikerer også, at brint i begyndelsen bliver et mørkt, dårligt ledende metal som grafit i stedet for et konventionelt skinnende metal og en god leder, som oprindeligt blev foreslået i teoretiske beregninger tilbage til 1930'erne ved hjælp af tidlige kvantemekaniske modeller for faste stoffer.

Selvom opdagelsen af ​​denne lagdelte pladekarakter af tæt brint er kommet som en overraskelse for mange, kemikere for 30 år siden – før opdagelsen af ​​grafen – forudsagde strukturen ud fra simple kemiske overvejelser. Deres arbejde er valideret og udvidet af de nye resultater.

"Samlet set, vores resultater indikerer, at kemisk binding forekommer over en meget bredere vifte af forhold, end folk tidligere havde overvejet. Imidlertid, de strukturelle virkninger af den kemiske binding under ekstreme forhold kan være meget anderledes end dem, der observeres under de almindelige forhold, som vi kender, " sagde Hemley.