半水合氨相变路径首次实验呈现

仙仙

记者2021年1月14日从中科院合肥研究院获悉，该院固体所与英国爱丁堡大学等单位合作，利用金刚石对顶砧加压装置研究了高压下半水合氨的物性，首次在半水合氨中发现了压力诱导的分子晶体至完全离子结构相变，相关研究成果日前发表在《物理评论快报》上。


自然界中稳定存在的氨水化合物根据氨与水比例的不同可分为一水合氨、二水合氨以及半水合氨。研究表明，常温时含水量高的氨水化合物在高压下均会脱水，形成半水合氨以及多余的冰。现阶段建立的物质相图多由分子相占主导地位，近年来随着研究向更极端条件的扩展，奇异的离子相、超离子相逐渐进入人们的视野。而对于半水合氨体系，相关研究仅停留在理论预测阶段。


科研人员通过拉曼光谱探测，结合同步辐射X射线衍射技术以及第一性原理计算，对超过120万个标准大气压的半水合氨样品进行了研究。结果显示，半水合氨样品在高压下会经历“分子结构—部分离子化—完全离子化”的转变。随着压力不断增大，最终在压力高于69吉帕条件下进入一个新的结构状态，即稳定的完全离子化结构。这表明样品中的水在压力作用下，完全去质子化。此研究首次报道了半水合氨中由压力诱导的分子结构到完全离子化结构相变路径，在很大范围内扩展了半水合氨的相图。


天王星和海王星等巨型冰行星内部含有大量的NH3、H2O、CH4和各种形式的氢，在冰行星内部极端条件如超高压力下，半水合氨将大量存在。由于该工作呈现了半水合氨中在随压力变化作用下，从分子结构到完全离子化结构路径，因此对人们进一步了解冰行星的形成以及演化具有重要的指导作用。（科技日报记者吴长锋）