通过配位数工程寻找超导二十面体氢化物

这对未来技术为何重要

超导体——能够零电阻传导电流的材料——可能彻底改变电网、医学成像设备，甚至未来的计算机。但已知的大多数超导体只在极低温或极高压力下工作。本研究探索了一种巧妙的新方法来设计由氢与金属组成的超导材料，旨在提高其工作温度并降低所需压力。通过精心安排围绕重金属原子的氢原子数量，作者展示了如何将超导性“工程化”到新化合物中。

像分子乐高一样构建超导候选材料

研究人员关注一类富含氢的材料，称为氢化物。氢质量轻且易于振动，这些特性在电子与振动相互作用时天然有利于超导。研究团队没有随机测试数千种组合，而是从已知化合物BaReH9出发，其中铼（Re）被九个氢原子以明确的簇状结构包围。然后他们系统地提出：如果在铼周围塞入更多氢并改变这些原子的连接方式，会发生什么？这种设计原则——调节邻近原子的数量，即配位数——像是控制超导行为的结构旋钮。

发现具有强烈效应的十二氢笼

借助在极高压力下的先进计算模拟，作者绘制了钡（Ba）、铼和氢的哪些组合是稳定的。他们识别出若干有前景的化合物，包括Ba2ReH8，最重要的是BaReH12。在约1000万大气压（100 GPa）下的BaReH12中，每个铼原子被12个氢原子包裹，排列成近乎完美的二十面体（icosahedral）笼状结构。这个高度对称的结构形成了一个特殊单元，写作[ReH12]2−，它像是超导的构件。计算显示，该化合物在大约128开尔文时可呈现超导——接近绝对零度到室温的一半以上，对于如此化学上简单的系统来说相当高。

额外电子与柔和氢键如何发挥作用

除了几何结构外，每个氢—金属单元内的电子数也至关重要。具有奇数电子的单元倾向于呈金属性，意味着电子可以自由移动——这是实现超导的必要条件。BaReH12具有这样的奇电子单元，帮助其导电。与此同时，相邻笼之间的氢原子并未形成很强的键；它们的连接恰到好处，足以相互作用，但又不至于使电子态变得僵化。这种组合——奇电子数、高对称性以及相对较弱的氢—氢键合——产生了电子与原子振动之间的强耦合，这是这些氢化物中传统超导机理的根本。

当更高压力反而太过

随着压力进一步增加，整齐的十二氢笼开始扭曲。在BaReH12的高压晶型中，四个氢原子在相邻的铼中心之间共享，将配位数提高到14并降低了对称性。这种结构变化削弱了电子与振动的相互作用，使超导转变温度降至约40开尔文。类似地，另一种化合物Ba2ReH8具有不同的氢壳层和额外的钡原子，推动氢笼彼此更远。它仍然可以成为超导体，但仅在约19开尔文附近。这些对比突出了超导性对原子排列微小变化的高度敏感性。

设计更好超导体的简单规则

总体而言，这项研究提出了发现新型高温氢化物超导体的清晰配方。以携带奇数电子的氢—金属单元为起点，用诸如钡之类带正电的原子环绕它们以提供电子并稳定结构，并力求实现高度对称且相邻之间氢键较柔和的笼状结构。将这些氢笼视为可调的构件，科学家们获得了一套强有力的新工具箱，用于探索可能在更实用温度和较低极端压力下实现超导的材料——将无损耗电力传输到更紧凑的磁体等应用拉近现实。

引用: Song, H., Du, M., Zhang, Z. et al. Search for superconducting icosahedral hydrides via coordination number engineering. Commun Phys 9, 59 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02494-x

关键词: 超导氢化物, 高压材料, 富氢化合物, 配位数工程, BaReH12