日本核能研究開發機構先端基礎研究中心表面界面科學研究團隊的植田寬和研究副主幹和福谷克之團隊負責人（東京大學生產技術研究所教授）發表研究成果稱，明確了氣體和固體間的熱輸送程序。研究團隊構建了一個研究氫分子狀態變化的實驗系統，透過研究發現，以前不清楚的旋轉能轉移到了金屬表面的電子和晶格振動中。該成果有望實施熱傳導的靈活控制。相關成果已發表在國際學術期刊《Journal of Physical Chemistry Letters》8月21日號上。
圖1.氫的旋轉能轉移到固體表面的概念圖（供圖：日本核能研究開發機構）
氣體和固體表面之間的能量（熱量）傳遞是熱量控制和利用的重要因素。分子運動有「平動」、「振動」和「轉動」3種類型，迄今爲止，對「平動」和「振動」的能量傳遞機制已有詳細的研究。但「轉動」由於涉及的能量較小，難以構建實驗系統，因此尚不明確。
此次研究團隊對透過結合2種類型的雷射和分子束構建了實驗系統。對於氫分子中具有不同旋轉能態的正氫和仲氫，爲了從正氫轉化爲仲氫，注意到必須反轉自旋方向並釋放旋轉能，並解析了狀態變化。
實驗中，使氫分子吸附在鈀表面，研究了氫的旋轉能。結果發現，正氫的旋轉能比仲氫高出約10meV。
研究團隊還研究了在-232℃～-213℃的表面溫度下從正氫到仲氫的轉化率。結果發現，隨着表面溫度升高，從正氫到仲氫的轉化率提高。在此基礎上，根據從正氫到仲氫的狀態變化與電子有關的前提，設計了旋轉能的傳遞模式。研究表明，氫能轉移到了金屬表面的電子和晶格振動中。由於晶格振動的半徑源自元素和結構，由此揭示了透過控制晶格振動來控制熱輸送的可能性。
今後，將透過使用其他具有不同晶格振動的金屬實驗，進行進一步的驗證。預計此次的發現將有助於合金等的設計。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Journal of Physical Chemistry Letters
論文：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
【註解】
*1 正氫和仲氫
作爲二原子分子，氫有兩個質子。質子具有自旋，方向相同的質子稱爲正氫，方向相反的質子稱爲仲氫。在常溫平衡狀態下，正氫和仲氫的比例爲 3:1。平衡狀態下仲氫和正氫的比例僅表示爲溫度的函數，溫度越低，對氫的比例越大。然而，從正態到對位態的變化非常緩慢，在孤立的系統中幾乎不會發生。衆所周知，與物質的相輔作用會促進這種轉化。
*2 晶格振動
固體是由原子有規律的週期性排列（晶格）形成的。 每個原子都可以圍繞其穩定的位置進行振動。這就是晶格振動。這些振動與相鄰原子一起，像波浪一樣在固體中傳播。
