日本原子能研究开发机构先端基础研究中心表面界面科学研究团队的植田宽和研究副主干和福谷克之团队负责人（东京大学生产技术研究所教授）发表研究成果称，明确了气体和固体间的热传递过程。研究团队构建了一个研究氢分子状态变化的实验系统，通过研究发现，以前不清楚的转动能转移到了金属表面的电子和晶格振动中。该成果有望实现热传导的灵活控制。相关成果已发表在国际学术期刊《Journal of Physical Chemistry Letters》8月21日号上。
图1.氢的转动能转移到固体表面的概念图（供图：日本原子能研究开发机构）
气体和固体表面之间的能量（热量）传递是热量控制和利用的重要因素。分子运动有“平动”、“振动”和“转动”3种类型，迄今为止，对“平动”和“振动”的能量传递机制已有详细的研究。但“转动”由于涉及的能量较小，难以构建实验系统，因此尚不明确。
此次研究团队对通过结合2种类型的激光和分子束构建了实验系统。对于氢分子中具有不同转动能态的正氢和仲氢，为了从正氢转化为仲氢，注意到必须反转自旋方向并释放转动能，并解析了状态变化。
实验中，使氢分子吸附在钯表面，研究了氢的转动能。结果发现，正氢的旋转能比仲氢高出约10meV。
研究团队还研究了在-232℃～-213℃的表面温度下从正氢到仲氢的转化率。结果发现，随着表面温度升高，从正氢到仲氢的转化率提高。在此基础上，根据从正氢到仲氢的状态变化与电子有关的前提，设计了转动能的传递模型。研究表明，氢能转移到了金属表面的电子和晶格振动中。由于晶格振动的幅度源自元素和结构，由此揭示了通过控制晶格振动来控制热传递的可能性。
今后，将通过使用其他具有不同晶格振动的金属实验，进行进一步的验证。预计此次的发现将有助于合金等的设计。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Journal of Physical Chemistry Letters
论文：Rotational-Energy Transfer in H2 Ortho-−Para Conversion on a Metal Surface: Interplay between Electron and Phonon Systems
DOI：doi.org/10.1021/acs.jpclett.3c01209
【注解】
*1 正氢和仲氢
作为二原子分子，氢有两个质子。质子具有自旋，方向相同的质子称为正氢，方向相反的质子称为仲氢。在常温平衡状态下，正氢和仲氢的比例为 3:1。平衡状态下仲氢和正氢的比例仅表示为温度的函数，温度越低，对氢的比例越大。然而，从正态到对位态的变化非常缓慢，在孤立的系统中几乎不会发生。众所周知，与物质的相互作用会促进这种转化。
*2 晶格振动
固体是由原子有规律的周期性排列（晶格）形成的。 每个原子都可以围绕其稳定的位置进行振动。这就是晶格振动。这些振动与相邻原子一起，像波浪一样在固体中传播。
