固體所發現高壓下半水合氨離子化新結構

發表時間: 2021-01-08 作者:許婉

近期,中科院合肥研究院固體物理所計算物理與量子材料研究部極端環境量子物質中心團隊與英國愛丁堡大學等單位合作,利用金剛石對頂砧加壓裝置研究了高壓下半水合氨的物性,首次在半水合氨中發現了壓力誘導的分子晶體-完全離子結構相變,相關研究成果以“Ionic Phases of Ammonia-Rich Hydrate at High Densities 為題發表在物理學評論快報Physical Review LettersPhys. Rev. Lett.DOI10.1103/PhysRevLett.126.0157022021上。

諸如天王星和海王星等巨型冰行星內部含有大量的NH3H2OCH4和各種形式的氫。水與甲烷、氫等混合會形成籠形水合物,與氨混合則會形成氫鍵固體。自然界中穩定存在的氨水化合物根據氨與水比例的不同可分為一水合氨、二水合氨以及半水合氨。研究表明,常溫時含水量高的氨水化合物在高壓下均會脫水,形成半水合氨以及多余的冰,這表明在冰行星內部等極端條件下半水合氨將大量存在。現階段建立的物質相圖多由分子相占主導地位,近年來隨著研究向更極端條件的擴展,奇異的離子相、超離子相逐漸進入人們的視野。而對于半水合氨體系,相關研究還僅停留在理論預測階段。

該工作通過拉曼光譜探測,結合同步輻射X射線衍射技術以及第一性原理計算,對超過120萬大氣壓(相當于天王星/海王星約9870/8085 km深處壓力)的半水合氨樣品進行了研究。結果顯示,半水合氨樣品在高壓下會經歷分子結構-部分離子化-完全離子化的轉變,最終在高于69 GPa進入P-3m1相(AHH-III此相為穩定的完全離子化結構, 結構式為NH4+2O2-,表明樣品中的水在壓力作用下完全去質子化。此研究首次報道了半水合氨中由壓力誘導的分子結構到完全離子化結構相變路徑,在很大范圍內擴展了半水合氨的相圖,同時對進一步了解冰行星的形成以及演化具有重要的指導作用。

 該工作得到國家自然科學基金、中科院創新基金、挑戰計劃、研究院院長基金等項目支持。

 文章連接: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.126.015702

                圖1.實驗以及DFPT理論計算半水合氨拉曼峰頻率隨壓力變化圖。

2. (a)-(d) 下部分為不同壓力下的拉曼實驗光譜擬合結果,上部分為擬合峰強度與理論計算峰強度對比圖;(e)-(f)分別為100 GPa時相III具有拉曼活性的低頻以及高頻N-H振動。

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