Fémes hidrogén

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2020. szeptember 9-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 34 szerkesztést igényelnek .

A fémes hidrogén a hidrogén  fázisállapotainak halmaza , amely rendkívül nagy nyomáson van és fázisátalakuláson ment keresztül . A fémes hidrogén egy degenerált halmazállapotú anyag, és egyes feltételezések szerint bizonyos sajátosságokkal is rendelkezhet - magas hőmérsékletű szupravezetés és nagy fajlagos fázisátalakulási hő.

Elméletileg 1935-ben Hillard Huntington és Eugene Wigner jósolta meg .

Kutatástörténet

Az 1930-as években John Bernal brit tudós azt javasolta, hogy az atomos hidrogén, amely egy protonból és egy elektronból áll, és az alkálifémek teljes analógja, stabil lehet nagy nyomáson [1] . 1935-ben Eugene Wigner és Hillard Bell Huntington elvégezte a megfelelő számításokat. Bernal hipotézise beigazolódott - a számítások szerint a molekuláris hidrogén mintegy 250 ezer atmoszféra (25 GPa ) nyomáson, jelentős sűrűségnövekedéssel jut át ​​az atomos fémfázisba [2] . Ezt követően a fázisátalakuláshoz szükséges nyomás becslését növeltük, de az átmeneti feltételeket továbbra is potenciálisan teljesíthetőnek tartják. A fémes hidrogén tulajdonságainak előrejelzése elméletileg történik. L. F. Verescsagin akadémikus vezetésével a világon először sikerült fémes hidrogént nyerni, erről 1975-ben jelent meg [3] . A kísérletet többször megismételték, magas nyomáson (304 GPa-n) és alacsony hőmérsékleten (4,2 K-ig) a hidrogén elektromos vezetőképességre tett szert (az ellenállás legalább 1 milliószorosára csökkent), amikor a mintát melegítették és a nyomást csökkentették. , a hidrogén ugyanazokat a tulajdonságokat vette fel. Ebben a témában 1996-ban, 2008-ban és 2011-ben is jelentek meg jelentések, mígnem 2017-ben Isaac Silvera professzor és kollégája, Ranga Diaz nem ért el stabil mintát 5 millió atmoszféra nyomáson [4] [5] [1] , azonban a kamra, ahol a mintát tárolták, nyomás hatására összeomlott, és a minta elveszett.

Kapcsolat a fizika más területeivel

Asztrofizika

Úgy gondolják, hogy nagy mennyiségű fémes hidrogén van jelen az óriásbolygók  - a Jupiter, a Szaturnusz - és a nagy exobolygók magjában . A gravitációs kompresszió miatt fémes hidrogénmagnak kell lennie a gázréteg alatt.

Elméleti tulajdonságok

Átmenet a fémes fázisba

Ahogy a külső nyomás több tíz GPa-ra nő, a hidrogénatomok csoportja fémes tulajdonságokat kezd mutatni. A hidrogénatommagok ( protonok ) sokkal közelebb közelítenek egymáshoz, mint a Bohr-sugár , olyan távolságra, amely összemérhető az elektronok de Broglie hullámhosszával . Így az elektron kötőereje az atommaggal nem lokalizálódik, az elektronok gyengén kötődnek a protonokhoz, és ugyanúgy szabad elektrongázt képeznek, mint a fémekben.

Folyékony fémes hidrogén

A fémes hidrogén folyékony fázisa nagy távolságú rend hiányában különbözik a szilárd fázistól . Vita folyik a folyékony fémes hidrogén létezésének elfogadható tartományáról. A hélium-4- től eltérően, amely 4,2 K alatti hőmérsékleten és normál nyomáson folyékony a  nullapont nullponti energiája miatt, a sűrűn csomagolt protonok tömbje jelentős nullponti energiával rendelkezik. Ennek megfelelően a kristályos fázisból a rendezetlen fázisba való átmenet még magasabb nyomáson várható. N. Ashcroft tanulmánya folyékony fémes hidrogén tartományt enged be körülbelül 400 GPa nyomáson és alacsony hőmérsékleten [6] [7] . Más munkáiban E. Babaev azt javasolja, hogy a fémes hidrogén lehet fémes szuperfolyékony folyadék [8] [9] .

Szupravezetés

1968-ban Neil Ashcroft felvetette, hogy a fémes hidrogén viszonylag magas hőmérsékleten is szupravezető lehet [10] .

Pontosabb számítások [11] ( N. A. Kudryashov , A. A. Kutukov, E. A. Mazur, JETP Letters, 104. kötet, 7. szám, 2016, 488. o.) azt mutatták, hogy a fémes hidrogén kritikus hőmérséklete az I41/AMD fázisban, ugyanaz a vizsgált. [4] Ranga Diaz és Isaac Silvera 5 millió atmoszféra nyomáson a szupravezető átmeneti hőmérsékletét 215 kelvin , azaz -58 Celsius fok.

Kísérleti kísérletek a

Kísérletek az 1970-es években

L. F. Verescsagin akadémikus vezetésével a világon először sikerült fémes hidrogént nyerni, erről 1975-ben jelent meg [3] . A kísérletet gyémánt üllők segítségével végeztük. A kísérletet többször megismételték, magas nyomáson (304 GPa-n) és alacsony hőmérsékleten (4,2 K-ig) a hidrogén elektromos vezetőképességre tett szert (az ellenállás legalább 1 milliószorosára csökkent), amikor a mintát melegítették és a nyomást csökkentették. , a hidrogén ugyanazokat a tulajdonságokat vette fel.

A hidrogén fémezése sokknyomással 1996-ban

1996-ban a Livermore National Laboratory arról számolt be, hogy a kutatások megteremtették a hidrogénfémezés feltételeit, és megadták az első bizonyítékot annak lehetséges létezésére [12] . Rövid időre (kb. 1 ms) több mint 100 GPa (atm.) nyomást, több ezer kelvin nagyságrendű hőmérsékletet és körülbelül 600 kg/m 3 anyagsűrűséget értek el [13] . Mivel a korábbi kísérletek, amelyekben gyémánt üllőkkel ellátott cellában szilárd hidrogént préseltek 250 GPa nyomásra, nem hoztak eredményt, a kísérlet célja nem fémes hidrogén előállítása volt, hanem csak a minta nyomás alatti vezetőképességének vizsgálata. A 140 GPa elérésekor azonban az elektromos ellenállás gyakorlatilag eltűnt. A hidrogén nyomás alatti sávszélessége 0,3 eV volt , ami a 3000 K-nek megfelelő hőenergiával összehasonlíthatónak bizonyult , és „félvezető-fém” átmenetet jelez.

Kutatás 1996 óta

Folytatták a kísérleteket arra, hogy a hidrogént alacsony hőmérsékleten statikus összenyomással fémes állapotba állítsák. A. Ruoff és C. Narayana ( Cornell University , 1998) [14] , P. Louvier és R. Lethule (2002) egymás után közelítették meg a Föld középpontjában megfigyelt nyomást (324-345 GPa), de még mindig nem figyelték meg fázisátalakulás.

Kísérletek 2008-ban

Az olvadásgörbe elméletileg megjósolt maximumát a fázisdiagramon, amely a hidrogén folyékony fémfázisát jelzi, kísérletileg S. Deemyad és I. Silvera fedezte fel [15] . M. Eremetz csoportja bejelentette a szilán fémes állapotba való átmenetét és a szupravezetés megnyilvánulását [16] , de az eredményeket nem ismételték meg [17] [18] .

Kísérletek 2011-ben

2011-ben hidrogén és deutérium folyékony fémfázisának megfigyeléséről számoltak be 260-300 GPa statikus nyomáson [19] , ami ismét kérdéseket vet fel a tudományos közösségben [20] .

Kísérletek 2015-ben

2015. június 26-án a Science folyóiratban megjelent egy cikk , amely a Sandia National Laboratories (USA) kutatóinak egy csoportja és a Rostocki Egyetem (Németország) egy csoportja sikeres kísérletét írja le a folyékony deutérium tömörítésére . nehézhidrogén) a Z-gép segítségével olyan állapotba hozni, amely egy fém tulajdonságait mutatja [21] .

Kísérletek 2016-ban

2016 júliusában arról számoltak be, hogy a Harvard Egyetem fizikusainak sikerült fémes hidrogént előállítaniuk a laboratóriumban. A folyékony hidrogént egy lézer rövid villanásai segítségével körülbelül 1900 Celsius fokos hőmérsékletre hevítették, és 1,1-1,7 megabar nyomásnak tették ki [22] .

Várhatóan ez az anyag metastabil lesz, vagyis a nyomás eltávolításakor fém marad. A fizikusok kísérlete segít megmagyarázni, milyen folyamatok fordulhatnak elő a gázóriások belében. A tudósok azt sugallják, hogy a jövőben a fémes hidrogént rakéta-üzemanyagként vagy szobahőmérsékleten is létező szupravezetőként lehet használni [23] .

A tudományos közösség szkeptikusan fogadta ezt a hírt [24] , újbóli kísérletet várva [25] .

2018-as kísérletek fémes deutériummal

2018 augusztusában a tudósok bejelentették, hogy megfigyelték a folyékony deutérium fémes formává történő gyors átalakulását 200 K alatti hőmérsékleten. Figyelemre méltó egyezést találtak a kísérleti adatok és a kvantum Monte Carlo módszerrel végzett szimuláción alapuló elméleti előrejelzések között , amely a leginkább tekinthető a mai napig pontos módszer. Ez segíthet a kutatóknak abban, hogy jobban megértsék a gázóriások, például a Jupiter, a Szaturnusz és számos, a Naprendszeren kívüli exobolygó belsejét [26] [27] .

Kísérletek 2020-ban

2020 januárjában francia fizikusok megerősítették a fémes hidrogén létezésének feltételeit, mivel kísérleteik kimutatták, hogy a hidrogén fémes állapotba való átmenete 4,18 millió atmoszféra nyomáson megy végbe [28] [29] .

Lehetséges alkalmazások

üzemanyagcellák

A fémes hidrogén metastabil vegyületei kompakt, hatékony és tiszta üzemanyagként ígéretesek. A fémes hidrogénnek a szokásos molekuláris fázisba való átmenete során 20-szor több energia szabadul fel, mint oxigén és hidrogén keverékének elégetésekor - 216 MJ/kg [30] .

Magas hőmérsékletű szupravezetők

Számos elméleti modell szerint a fémes hidrogénnek nagyon magas kritikus hőmérsékletű T c -vel kell rendelkeznie , ha ez a feltételezés kísérletileg beigazolódik, akkor a fémes hidrogén, mint szupravezető sok területen alkalmazást talál majd.

A művészetben

Jegyzetek

  1. ↑ 1 2 Sergey Stishov . A fémes hidrogén gyakorlati felhasználását a tudományos -fantasztikus irodalomnak kell tulajdonítani
  2. ↑ Wigner, E.; Huntington, HB A hidrogén fémes módosításának lehetőségéről //  Journal of Chemical Physics. - 1935. - 1. évf. 3 , sz. 12 . - 764. o . - doi : 10.1063/1.1749590 .  
  3. ↑ 1 2 Verescsagin L. F., Jakovlev E. N., Timofejev Yu. A. "A hidrogén átmenetének lehetősége a vezető állapotba" UFN 117 183–184 (1975) . Letöltve: 2021. július 29. Az eredetiből archiválva : 2021. július 29.
  4. ↑ 1 2 Ranga P. Dias, Isaac F. Silvera. A Wigner-Huntington átmenet megfigyelése a fémes hidrogénre   // Tudomány . — 2017-01-26. — P. eaal1579 . — ISSN 1095-9203 0036-8075, 1095-9203 . - doi : 10.1126/science.aal1579 . Archiválva az eredetiből 2017. február 15-én.
  5. ↑ In, Geology . A tudósok végre létrehozták a fémes hidrogént , a Geology IN . Az eredetiből archiválva : 2017. január 30. Letöltve: 2017. január 28.
  6. ↑ Ashcroft NW The hydrogen liquids  //  Journal of Physics: Condensed Matter. - 2000. - Vol. 12 , sz. 8A . — P. A129 . - doi : 10.1088/0953-8984/12/8A/314 .
  7. ↑ Bonev SA, et al. Fémes hidrogén kvantumfolyadéka, amelyet az első elvű számítások javasoltak   // Természet . - 2004. - 20. évf. 431 , sz. 7009 . - 669. o . - doi : 10.1038/nature02968 . - arXiv : cond-mat/0410425 .
  8. ↑ Babaev E. , Ashcroft NW Violation of the London Law and Onsager–Feynman kvantálás többkomponensű szupravezetőkben  // Nature Physics  . - 2007. - Vol. 3 , sz. 8 . — 530. o . - doi : 10.1038/nphys646 . - arXiv : 0706.2411 .
  9. ↑ Babaev E., Sudbø A., Ashcroft NW A szupravezető szuperfolyadék fázisátalakulása folyékony fémes hidrogénben   // Természet . - 2004. - 20. évf. 431 , sz. 7009 . — 666. o . - doi : 10.1038/nature02910 . - arXiv : cond-mat/0410408 .
  10. ↑ Ashcroft, NW fémes hidrogén: magas hőmérsékletű szupravezető? (angol)  // Physical Review Letters. - 1968. - 1. évf. 21 , sz. 26 . - 1748. o . - doi : 10.1103/PhysRevLett.21.1748 .
  11. ↑ NA Kudryashov, AA Kutukov, EA Mazur. A fémes hidrogén kritikus hőmérséklete 500 GPa nyomáson  (angol)  // JETP Letters. — 2016-12-14. — Vol. 104 , iss. 7 . - P. 460-465 . - doi : 10.1134/S0021364016190061 . Archiválva az eredetiből 2017. szeptember 24-én.
  12. ↑ Weir ST, Mitchell AC, Nellis WJ Folyékony molekuláris hidrogén fémezése 140 GPa (1,4 Mbar  ) nyomáson  // Physical Review Letters. - 2004. - 20. évf. 76 , sz. 11 . - 1860. o . - doi : 10.1103/PhysRevLett.76.1860 .
  13. ↑ Nellis, W. J. Metastable Metallic Hydrogen Glass . Lawrence Livermore Preprint UCRL-JC-142360 OSTI 15005772 (2001). - "egy fém minimális elektromos vezetőképessége 140 GPa, 0,6 g/cm3 és 3000 K mellett".
  14. ↑ Ruoff AL, et al. Szilárd hidrogén 342 GPa nyomáson : Nincs bizonyíték alkálifémre   // Természet . - 1998. - 1. évf. 393. sz . 6680 . - 46. o . - doi : 10.1038/29949 .
  15. ↑ Deemyad S., Silvera IF A hidrogén olvadási vonala nagy nyomáson  //  Physical Review Letters. - 2008. - Vol. 100 , nem. 15 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.100.155701 . - arXiv : 0803.2321 .
  16. ↑ Eremets M.I., et al. Szupravezetés hidrogéndomináns anyagokban:  Szilán  // Tudomány . - 2008. - Vol. 319. sz . 5869 . - P. 1506-1509 . - doi : 10.1126/tudomány.1153282 .
  17. ↑ Degtyareva O. Átmeneti fém-hidridek képződése nagy nyomáson  //  Solid State Communications. - 2009. - 1. évf. 149. sz . 39-40 . - doi : 10.1016/j.ssc.2009.07.022 . - arXiv : 0907.2128v1 .
  18. ↑ Hanfland M., Proctor J., Guillaume CL et al. Szilán nagynyomású szintézise, ​​amorfizálása és lebontása  (angol)  // Fizikai áttekintő levelek. - 2011. - 20. évf. 106 , sz. 9 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.106.095503 .
  19. ↑ Eremets MI, Troyan IA Vezetőképes sűrű hidrogén  // Természetes anyagok  . - 2011. - Nem. 10 . - P. 927-931 . - doi : 10.1038/nmat3175 .
  20. ↑ Nellis WJ, Ruoff A., Silvera HA készült fémes hidrogén gyémánt üllőcellában? (angol)  // arxiv.org. - 2012. - arXiv : http://arxiv.org/abs/1201.0407 .
  21. ↑ MD Knudson, képviselő Desjarlais, A. Becker, RW Lemke, KR Cochrane, ME Savage, DE Bliss, TR Mattsson, R. Redmer. A szigetelő-fém hirtelen átmenet közvetlen megfigyelése sűrű folyékony deutériumban  (angol)  // Tudomány . - 2015. június 26. - Kt. 348. sz . 6242 . - P. 1455-1460 . - doi : 10.1126/science.aaa7471 .
  22. ↑ A fizikusok egy Jupiter részecskét kaptak a Földön . Letöltve: 2016. július 2. Az eredetiből archiválva : 2016. augusztus 16..
  23. ↑ Az Egyesült Államokban a tudósok mérföldkőnek számító kísérletet végeztek. Fémes hidrogént kaptak . _ _ _
  24. ↑ A fizikusok kétségbe vonják a fémes hidrogénről szóló merész jelentést Archiválva : 2019. április 1. a Wayback Machine -nél // Természet  - Hírek és megjegyzések
  25. ↑ Van ok szkeptikusnak lenni a fémes hidrogénnel kapcsolatban Archiválva : 2017. február 20. a Wayback Machine -nél // Forbes 
  26. ↑ Szigetelő-fém átmenet sűrű folyadék deutériumban | Tudomány
  27. ↑ Nyomás alatt a hidrogén az óriásbolygó belsejét tükrözi | Carnegie Tudományos Intézet . Letöltve: 2021. április 20. Az eredetiből archiválva : 2020. november 27.
  28. ↑ A fizikusok új utalásokat találtak a fémes hidrogén létezésére
  29. ↑ Az anyag rendellenes formájának létezése megerősítést nyert . Letöltve: 2020. február 1. Az eredetiből archiválva : 2020. január 31.
  30. ↑ Silvera, Isaac F. Metallic Hydrogen: A Game Changing Rocket Propellant . NIAC TAVASZI SZIMPÓZIUM (2012. március 27.). — "A hidrogénatomok rekombinációja 216 MJ/kg hidrogén/oxigén égetéssel a Shuttle-ben 10 MJ/kg... körülbelül 12-13-szoros sűrűséget szabadít fel". Hozzáférés dátuma: 2012. május 13. Az eredetiből archiválva : 2013. június 7.

Irodalom