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BIOENGINEER BY BIOENGINEER January 14, 2022 in Science News
石川，日本——元素周期表中的元素可以有多种形式。例如，碳以金刚石或石墨的形式存在，这取决于其形成时的环境条件。在超高压环境中形成的晶体结构尤为重要，因为它们为行星的形成提供了线索。然而，在实验室中重现这样的环境是很困难的，材料科学家经常依靠模拟预测来识别这种结构的存在。
资料来源:JAIST的Ryo Maezono。
石川，日本——元素周期表中的元素可以有多种形式。例如，碳以金刚石或石墨的形式存在，这取决于其形成时的环境条件。在超高压环境中形成的晶体结构尤为重要，因为它们为行星的形成提供了线索。然而，在实验室中重现这样的环境是很困难的，材料科学家经常依靠模拟预测来识别这种结构的存在。在这方面，氢对于分析宇宙中物质的分布和巨型气体行星的行为尤其重要。然而，由于高压氢实验的困难，高压氢固体的晶体结构仍存在争议。此外，结构模式是由各种因素的微妙平衡控制的，包括电子上的电作用力和量子力学施加的涨落，而对于氢来说，涨落特别大，这使得对其晶体相的预测更加困难。
最近，在《物理评论B》上发表的一项合作研究中，来自日本高级科学技术研究所的前佐良教授和副教授健太本戈利用超级计算机模拟和数据科学的巧妙结合解决了这个问题，揭示了氢在0 K附近低温和高压下的各种晶体结构。
“对于高压下的晶体结构，我们已经能够使用遗传算法等最新的数据科学方法生成几个候选模式。但这些候选者是否真的是在高压下存活的阶段，只能通过高分辨率模拟来确定，”Maezono教授解释道。
因此,研究小组寻找各种可能的结构,可以用2到70氢原子形成高400 ~ 600帕的压力(GPa)使用了一种叫做“粒子群优化”和密度泛函理论(DFT)计算和估计其相对稳定使用采用基于量子蒙特卡罗方法和DFT修正零点能量。
这项研究产生了10种以前实验没有发现的可能的晶体结构，包括9种分子晶体和一种混合结构，Pbam-8由交替出现的原子和分子晶体层组成。然而，他们发现这10个结构都表现出结构动力不稳定。为了获得一个稳定的结构，团队在不稳定的方向上放松了pbam8，形成了一个新的动态稳定的结构，称为P21/c-8。Hongo博士说:“这种新结构很有希望在高压条件下实现固态氢相，就像在地球深处发现的那样。”
新结构被发现比Cmca-12更稳定，Cmca-12结构此前被发现是H2-PRE相的有效候选结构，H2-PRE相是在高压(360至495 GPa)下确定的6种结构相之一，在接近0 K时稳定。通过比较两种结构的红外光谱，该团队进一步验证了他们的结果，揭示了H2-PRE相典型的相似模式。
虽然这是一个有趣的发现，Maezono教授解释了他们的结果的重要性:“氢晶体问题是材料科学中最具挑战性和最难解决的问题之一。根据所使用的近似类型，预测可能会有很大变化，避免近似是一个典型的挑战。现在我们的结果得到了验证，我们可以继续研究其他结构预测问题，比如硅和镁化合物，它们对地球和行星科学有重大影响。”
关于日本高等科学技术学院，日本
日本科学技术院(JAIST)于1990年在石川县成立，是日本第一个独立的国立研究生院。如今，经过30年的稳步发展，JAIST已成为日本一流大学之一。JAIST拥有多个卫星校区，并努力培养有能力的领导者和先进的教育系统，多元化是关键大约40%的校友是国际学生。这所大学有一个独特的风格的研究生教育，基于精心设计的课程导向的课程，以确保其学生有一个坚实的基础，进行前沿的研究。JAIST还通过促进产学研合作研究，与本地和海外社区密切合作。
日本科学技术院前佐野良教授介绍
Ryo Maezono博士自2017年以来一直是日本科学技术高级研究院(JAIST)信息科学学院的教授。2000年在东京大学获得博士学位，2001年至2007年在日本茨城市国立材料科学研究所担任研究员。他的研究领域包括材料信息学和使用高性能计算的凝聚态理论。他是一名高级研究员，发表了105篇论文。
资金信息
本研究由JSPS研究员资助项目(18J12653)、MEXT-KAKENHI资助项目(JP16H06439、JP19K05029、JP19H05169和JP21K03400)、空军科研办公室资助项目(资助编号:JP21K03400)。项目编号:FA2386-20-1-4036)、MEXT-KAKENHI (JP19H04692和JP16KK0097)、FLAGSHIP2020(项目编号:JP16KK0097)hp190169也没有。h190167 at K-computer)，空军科学研究办公室(AFOSR-AOARD/FA2386-17-1-4049FA2386-19-1-4015)和JSPS双边合作项目(JPJSBP120197714)。
New study shows novel crystal structure for hydrogen under high pressure – BIOENGINEER.ORG
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