利用金屬氫化物新材料提升超導性能

材料牛注：由Struzhkin團隊研究發現的鈉/氫材料，具有獨特的結構、金屬特性以及超導性能，或將推動超導電材料的進一步發展。

幾十年來，科學家一直在尋找不同的方法，試圖將氫氣存儲于金屬中。金屬儲氫材料可以說是材料科學中的圣杯，因為金屬儲氫材料可作為超導體，使電子流動不受電阻阻礙，從而大大提高電力轉換效率。最早的研究始于卡耐基梅隆大學的Viktor Struzhkin團隊。他們通過實驗得到一種由氫和鈉混合起來的新材料，這種材料可以改變超導性能，并可作為氫燃料電池的儲氫材料。此項研究發表在Nature Communication上。

科學家曾預言，某些富氫化合物可以通過新的化學方法改變其電子結構，這些化合物包含多個堿金屬（如鋰、鉀、鈉）原子和氫原子。這個預言可能會引導金屬高溫超導體的研究方向。

“溫度是個挑戰，”Struzhkin解釋說，“目前，產出的超導體只能存在于不切實際的低溫下。最近幾年，有相關預測認為，多原子堿金屬氫化物能存在于更實用的溫度下。理論上，它們具有有利于超導電性的獨特性質。”

現在，這些預言已經被證實了。Struzhkin的團隊包括卡耐基梅隆大學的研究員Duck Young Kim, Elissaios Stavrou, Takaki Muramatsu, Ho-Kwang Mao和Alexander Goncharov，還有來自其它機構的研究人員。

這個團隊通過理論指導實驗，利用X射線衍射的方法揭示原子結構，并通過拉曼光譜測量微小振動以及旋轉等特性來識別分子。理論上，在一定壓力下，鈉／氫材料會穩定存在，并且具有金屬特性和獨特結構，表現出超導性能。

研究小組進行了高壓／高溫下的實驗研究。在這些極限條件下，物質會變形成具有新特性的新結構。他們在金剛石壓腔中，用巨大的壓強對氫氣以及鈉樣品進行壓縮，同時用激光加熱樣品。在300,000到400,000的大氣壓（30-40千兆帕，或者GPa）、3100° F（2000開爾文）的溫度下，他們首次發現了“多氫化合物”的結構。這種結構很不尋常，由鈉加上3個氫原子（NaH₃）或者鈉加上7個氫原子（NaH₇）組成。在NaH₇材料中，三個帶負電荷的氫原子一字排開，看起來像是一維氫鏈，是一種非常不同于純氫的新相。

“這個結構早在1972年，也就是40多年以前，就被預言存在了。” Duck Young Kim說，“事實證明，我們的實驗與預言NaH₃存在的理論是完全一致的，除此之外我們還發現了NaH₇。”

Struzhkin反映，“關于這種材料能否在更低的溫度和壓強下生產，還需要進一步研究。但是這種新物質開啟了一個有更多可能性的新世界。”

參考原文鏈接： New material could advance superconductivity

文獻鏈接： Synthesis of sodium polyhydrides at high pressures

本文由編輯部楊洪期提供素材，Melody編譯，時冰遙審核，點我加入材料人編輯部。

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