新型金化合物：高压实验室中的金与氢

在高压环境下会形成固态的金氢化合物：本文简要解释其结构、稳定性以及对高压化学的意义。

金通常被认为是惰性的，几乎不发生反应。但在高压实验室里，它却展现出了不一样的特性。

欧洲 X 射线自由电子激光装置的一个研究团队制造出了一种由金和氢组成的固态化合物，研究人员称之为金氢化合物。实验是在金刚石压腔中进行的，这是一个位于两个金刚石尖端之间的微型高压反应器，能产生如同地球内部深处的压力。

在这样的环境中，金与氢发生了反应。反应中氢的来源是腔内简单的碳氢化合物。实验结果是形成了一种前所未有的金氢物相。这项研究让我们眼中这种 “贵重” 且惰性的金属呈现出了新的面貌。

形成条件：超过 40 吉帕，接近熔点

压力是关键因素。当压力超过 40 吉帕（GPa）时，金会形成一种新的晶体结构。1 吉帕大约相当于 10,000 米水柱所产生的压力。此外，超短的 X 射线激光脉冲将样品加热到接近熔点的高温，之后反应才开始发生。

芒戈・弗罗斯特这样描述这一发现：“我们能够证明，当压力超过 40 吉帕斯卡时，金原子的晶格会形成一种六方密堆积结构，氢原子无序地分布在间隙中。”

在固体物理学中，这种结构被称为 “六方密堆积”（hcp），它不同于常温下块状金常见的结构。

化学公式及压力依赖性

这种新的物相可以用化学公式来表示。研究人员给出的公式是 Au₂Hₓ，其中 “ₓ” 代表氢的比例，且这个比例会随着压力的增大而增加。研究团队观察到的数值在 0 到接近 1 之间。

这意味着：压力越大，就有越多的氢原子进入金的晶格，并占据金原子之间的空隙。

相关的密度泛函理论 - 分子动力学（DFT-MD）模拟也支持这一结论。DFT 是指密度泛函理论，MD 是指分子动力学，两者都是材料研究中成熟的计算方法。模拟重现了六方密堆积结构以及氢在晶格间隙中的位置。

超离子氢——含义是什么

一个特别之处与氢的流动性有关。氢在固态的金结构中能够非常轻易地移动，专业人士称之为 “超离子” 状态。

这听起来很抽象，其含义是：金原子构成的晶格保持固态，但其中的氢却几乎表现得像液体一样，能在材料中快速移动。这种特性在富氢化合物中较为常见，而在金氢化合物中则是首次发现。

这一特性对于应用而言很有吸引力。在稳定的金属晶格中移动的氢可能会对传输性和导电性产生影响。至于这种特性能否以及会被用于哪些方面，目前尚不清楚。首先，证实这种固态金属与高流动性氢离子的不寻常结合是很有价值的。

仅在高温下稳定——以及早期实验为何错失这一发现

金氢化合物只在高温下保持稳定。当冷却至室温时，其结构会恢复，重新形成常见的面心立方结构的金。这就解释了为什么早期的实验没有发现这种物相 —— 许多研究团队只在样品冷却后才对其进行研究，这样一来，这种短暂存在的高温物相就无法被分析到了。

乌尔夫・扎斯特劳对这一结果的意义进行了阐述：“我们的研究结果表明，即便是像金这样惰性的元素，在极端的压力和温度条件下，也能展现出全新的化学特性。”

该团队推测，可能还存在其他更多尚未被发现的化合物，这需要能够在压力和高温条件下进行实时测量的方法。位于汉堡附近舍内费尔德的欧洲 X 射线自由电子激光装置恰好具备这种能力，该 X 射线激光能够在实验过程中对结构进行追踪。

对高压实验实践的影响

在高压腔中，金被认为是 “惰性的”，常被用作密封材料、容器或压力标记。这项新的研究表明：在特定条件下，金确实会发生反应。

这对实验计划有着重要意义。研究高压化学的人员应该重新评估金的作用，在不同的温度和压力条件下，金可能会参与反应。

X 射线揭示液态碳的结构

这一发现为材料研究领域带来了两个启示。第一，贵金属在极端条件下可能发生化学反应。第二，利用 X 射线进行短时加热，为这些物相的稳定创造了时间窗口，这扩展了能够被制造和研究的化合物的范围。

总结

在压力超过 40 吉帕时，金会形成一种化学式为 Au₂Hₓ的氢化物。

金原子呈六方密堆积排列，氢原子填充在间隙中。

氢处于超离子状态，在固态晶格中具有极高的流动性。