实验室意外发现揭示黄金的化学反应机制

研究人员正在研究碳氢化合物（由碳和氢组成的化合物）在极高压力和高温下形成钻石所需的时间。在德国欧洲XFEL（X射线自由电子激光装置）的实验中，该团队研究了这些极端条件对嵌有金箔的碳氢化合物样品的影响——金箔用于吸收X射线并加热低吸收性的碳氢化合物。出乎意料的是，他们不仅观察到钻石的形成，还发现了金氢化物的生成。

"这非常意外，因为金通常具有极强的化学惰性——这正是我们在实验中选择它作为X射线吸收材料的原因，"领导这项研究的SLAC（斯坦福直线加速器中心）科学家芒戈·弗罗斯特表示。"这些结果表明，在温度和压力效应开始与传统化学规则竞争的极端条件下，可能存在着大量未被发现的新化学现象，从而形成这类特殊化合物。"

发表于《德国应用化学国际版》的研究成果，为揭示特定行星或氢聚变恒星内部等极端环境中化学规律的变化提供了线索。

致密氢研究

实验中，研究人员首先使用金刚石压砧将碳氢化合物样品压缩至超过地幔的压力。随后，他们通过欧洲XFEL的重复X射线脉冲轰击样品，使其温度升至3500华氏度（约1927摄氏度）以上。团队记录并分析了X射线在样品上的散射模式，从而解析出内部结构转变。

正如预期，散射图谱显示碳原子形成了钻石结构。但团队同时检测到异常信号：氢原子与金箔反应形成了金氢化物。

在实验创造的极端条件下，研究人员发现氢处于致密的"超离子态"，氢原子在金原子刚性晶格中自由流动，从而提高了金氢化物的导电性。

作为元素周期表最轻的元素，氢的X射线研究极具挑战性——其散射强度极弱。然而在此次实验中，超离子态氢与质量更大的金原子发生相互作用，使团队得以通过金晶格散射X射线的变化观测氢的行为。"我们可以把金晶格作为氢行为的观测媒介，"弗罗斯特解释道。

金氢化物为研究致密原子氢提供了新途径，这种方法也适用于其他难以直接实验观测的场景。例如，某些行星内部由致密氢构成，实验室研究可增进对这些外星世界的认知。该研究还能深化对太阳等恒星内部核聚变过程的理解，助力地球聚变能源技术的开发。

探索新化学领域

除为致密氢研究开辟道路外，该成果还揭示了新的化学研究方向。通常被认为具有化学惰性的金，在超高压高温条件下形成了稳定的氢化物。事实上，这种化合物仅在极端条件下稳定存在——冷却后金与氢会分离。模拟计算还表明，更高压力下金晶格可容纳更多氢原子。

"这些结果表明，在温度和压力效应开始与传统化学规则竞争的极端条件下，可能存在着大量未被发现的新化学现象，从而形成这类特殊化合物。" SLAC科学家 芒戈·弗罗斯特

该模拟框架还可拓展至金氢化物以外的研究。"关键在于我们能在极端条件下实验生成并模拟这些物态，"SLAC高能量密度科学部主任、光子科学教授、首席研究员西格弗里德·格兰泽强调，"此类模拟工具可用于预测其他极端条件下的特殊材料性质。"

研究团队还包括来自德国罗斯托克大学、DESY（德国电子同步加速器研究所）、欧洲XFEL、亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫研究中心、法兰克福大学和拜罗伊特大学；英国爱丁堡大学；美国卡内基科学研究所、斯坦福大学及斯坦福材料与能源科学研究所（SIMES）的研究人员。本研究部分工作由美国能源部科学办公室资助。