美设计出氢金属合金材料模型

上一篇 / 下一篇  2011-06-23 18:03:52

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美国卡内基研究所科学表示,他们设计出了3种高密度的氢与金属合金材料的计算机模型,并发现在一定的压力和温度下,这些合金出现了超导性。他们的研究成果为人们利用世界上含量丰富的氢元素提供了新途径。相关报告发表在美国《国家科学院院刊》网络版上。

长期以来,物理学家一直在试图了解能否将地球含量丰富的氢元素转变成金属,甚至成为超导体。他们推测,在适当的压力和温度条件下,氢能够与金属结合成为氢金属合金材料。然而,这在实验中是难以实现的。

所谓超导现象,指当物质被冷却到一定的温度时电阻突然消失的现象。原则上,所有已知的材料都能够被冷却到非常低的温度,或者说是转变温度而成为超导体,但由于发生转变的临界温度非常低,因而限制了超导物质的广泛应用。科学家经过研究发现,通过额外的化学处理,可以提高材料的转变温度,实现高温超导。现在,科学家常常利用理论模型来了解提高材料转变温度的特征和压力。在此项实验中,科学家们在特定的温度、压力和化合物成分等条件下,对3种金属氢化物在原子水平上的行为进行了模拟研究。

这3种化合物分别是三氢化钪、三氢化钇和三氢化镧,每种氢化物的金属晶格中含有丰富的氢原子。研究所地球物理实验室高压问题科学家毛河光发现,压力大约在10万至20万倍于海平面大气压,3种模型材料出现超导性。三氢化镧超导现象稳定状态条件是10万个大气压和 -253摄氏度(20开尔文);三氢化钪和三氢化钇的稳定状态条件是20万个大气压,但转变温度分别是-255摄氏度(18开尔文)和-233摄氏度(40开尔文)。

研究还发现,在超导临界温度下,同三氢化钪相比,三氢化钇和三氢化镧之间振动能分布更为相似;且当3种化合物都出现结构变化时,可获得最高的临界温度。这一结果表明,出现超导态是化合物中带振动能的电子穿过格子状结构的过程中相互作用的结果。当压力超过35万大气压时,3 种化合物又失去了超导性能,变成普通金属;而当压力达到50万大气压时,只有三氢化钇重新呈现超导态,研究人员认为这是因为其质量不同于另两种化合物。

毛河光表示,此前的研究都集中在含有4个氢原子的化合物上,这次的模型实验证明,当压力介于10万大气压到20万大气压之间时,含有3个氢原子的金属氢化物就可以具备超导性能,这比含有4个氢原子的同种金属氢化物呈现出超导态所需要的压力低一个量级,使得它们更有潜力应用于超导领域的研究。这些温度和压力条件在实验室中可以很容易达到,研究人员希望,他们的模型研究成果能得到今后更多实验的验证和支持。

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