Physiker sind auf einem schwer fassbaren Zustand von metallischen Wasserstoff schließen

Wasserstoff, dass die meisten einfachen Elemente, ist ein Gas – zumindest bei den typischen Temperaturen und Drücke hier auf der Erde gefunden. Aber viele Wissenschaftler glauben es könnte bestehen aus Metall flüssig in den Kernen des riesigen Gasplaneten wie Jupiter und Physiker für eine solide metallischen Phase für den letzten 80 Jahren jagen.

Jetzt ein Team der schottische Physiker her die University of Edinburgh denken sie möglicherweise, dass einer neuen Phase entdeckt haben möglicherweise der Vorläufer an eine wahre Festphase metallischer Wasserstoff. Sie beschrieb ihre Ergebnisse in einem Papier, das diese Woche in der Fachzeitschrift Natureveröffentlicht.

Jede Substanz hat einen bestimmten Moment, wenn der Druck oder die Temperatur genau richtig ist, um dazu führen, dass von einem Zustand oder Phase, zum anderen zu verlagern. Wasser ist das am häufigsten verwendete Beispiel: die Temperatur ausreichend und es schaltet sich in Eis; erhöhen Sie die Temperatur zum Kochen bringen und es wird in Dampf verdunstet.

Diesen kritischen Punkt kann sogar für denselben Stoff variieren. Auf Höhe des Meeresspiegels Wasser kocht bei 212 Grad F (100 Grad C) und friert bei 32 Grad Fahrenheit (0 Grad C). Aber Wasser wird bei einer viel niedrigeren Temperatur in Denver, zum Beispiel wegen der geringeren Luftdruck zu kochen. Und Physiker an den Sandia National Laboratories lief zurück in 2006, Computer-Simulationen zeigen, dass eine leitfähige Phase "metallischen Wasser" bei Temperaturen von 4000 Grad Kelvin und einem Druck von 100 Gigapascals bilden würde. (-Skala entspricht einem Gigapascal etwa 10.000 Atmosphären Druck.)

James Dewar, Erfinder des das Isoliergefäß herausgefunden, wie man Wasserstoff in einer Flüssigkeit und einem soliden 1898 und 1899, bzw. verwandeln mit einem regenerativen Kältemaschine baute er an der Royal Institution. Die Geburtsstunde der Quantenmechanik hinzugefügt eine neue Wendung. Im Jahre 1935 vorhergesagt Eugene Wigner und Hillard Bell Huntington bekanntlich, dass Wasserstoff in einem soliden leitfähigen Metall bei ausreichend hohem Druck übergehen könnte. Physiker haben seitdem nach dieses scheue Tier gejagt.

Es sah aus wie sie auf ihre Beute im Jahr 1996 geschlossen wurden als Physiker am Lawrence Livermore National Laboratory ankündigte, einen flüssigen Zustand von metallischen Wasserstoff in einer Versuchsreihe Schock Kompression erreicht zu haben. Es war nur um für ca. 100 Nanosekunden, aber das war lang genug, um seine Existenz zu bestätigen. Aber diese Fluiden Phase von metallischen Wasserstoff ist immer noch sehr verschieden von der lang ersehnte Festphase nach William Nellis, wer diese frühere Experimente führte.

Diese neueste Arbeit ist keine wahre feste Phase von metallischen Wasserstoff auch nicht, aber es ist ein viel versprechender Schritt nach vorn. Die Edinburgh-Physiker verwendet zwei Diamanten, Wasserstoff und seine schwerere Isotop Deuterium, zerquetschen Drücke von mehr als 380 Gigapascals zu erreichen – die höchste noch berichtet. Sie verwendet eine Technik namens Raman-Spektroskopie, um wie die molekularen Bindungen unter so hohem Druck Verhalten zu studieren. Und sie fanden, dass dies ist, wenn die Moleküle in einzelne Atome auseinander zu brechen und die Elektronen gestartet, mehr wie in einem Metall handeln.

Sie habe es "Phase V" genannt Gibt es noch einige Belege für Anleihen, so dass dies nicht die lang ersehnte feste Form. Noch. Aber die Edinburgh-Team spekuliert, dass dies den Beginn einer festen metallischen Phase des Wasserstoffs markieren konnte. Es dauert nur ein klein wenig mehr Druck. Oder es könnte noch viel mehr Druck. Experimente werden nur weiter sagen.

Schottische Forscher verwendet Raman-Spektroskopie und eine Diamant-Amboss, um eine neue Phase der Wasserstoff zu finden. Bildnachweis: Philip Dalladay-Simpson und Eugene Gregoryanz.

Abgesehen von der Coolness-Faktor wirklich Festphase metallischer Wasserstoff wäre nützlich für alle Arten von Anwendungen – vorausgesetzt, es könnte sein "abgeschreckt, Umgebungsdruck und Temperatur", sagte Nellis Gizmodo per e-Mail. Das ist ein ziemlich großer Auftrag. Die technischen Herausforderungen sind gewaltig, aber wenn Physiker aller Zeiten gelungen ist, hätten wir einen Raumtemperatur Supraleiter in unseren Händen. (Die meisten supraleitende Materialien, auch die sogenannten High-Handsensor Supraleiter, erfordern komplizierte Kühlsysteme, da sie nur bei Temperaturen auf einer Stufe mit flüssigem Helium und Stickstoff supraleitend werden.)

Es wäre auch eine fantastische umweltfreundliche Energiequelle (sofern keine Zusatzstoffe sind ebenso sauber), weil es eine hohe Dichte an gespeicherter Energie hat. Eine niedrige, allmähliche Freisetzung von diese gespeicherte Energie wäre ideal für Autos, Züge und Flugzeuge. Beschleunigung der Energiefreisetzung würde solide metallischem Wasserstoff machen eine ausgezeichnete Treibmittel, die Flüssigkeit H2/O2-Kraftstoff nun verwendet, um die Raketen in den Weltraum zu ersetzen. Sie könnten sogar verwenden es als Sprengstoff, schaffst du es könnte man die gespeicherte Energie wirklich schnell freizugeben. Plus es hat Potenzial als Brennstoff für Fusionsreaktoren inertial Confinement.

Es ist möglich Physiker finden nie wirklich solide Form metallischer Wasserstoff, die sie suchen – und selbst wenn die Edinburg Wissenschaftler es in einer Diamant-Amboss-Zelle in der Zukunft finden, es wird nicht ertragen viel Ähnlichkeit mit dieser ursprünglichen 1935-Vorhersage. Nellis weist darauf hin, dass Wigner und Huntington waren nicht ganz sicher, dass ihre prognostizierte Phase des metallischen Wasserstoff überhaupt bilden würde. "Es noch nie in einer festen Phase des Wasserstoffs beobachtet hat," sagte er.

Referenzen:

Dalladay-Simpson, P.; Howie, r.t.; Gregoryanz, E. (2016) "Beweise für eine neue Phase der dichten Wasserstoff über 325 Gigpascals" Natur 529:63-67.

Nellis, w.j. (1999) "metastabile feste metallischer Wasserstoff," Philosophical Magazine 79(4): 655-661.

Wehr, S.T.; Mitchell, A.C.; Nellis, w.j. (1996) "Metallisierung von Fluid molekularen Wasserstoff bei 140 GPa (1,4 Mbar)," Physical Review Letters 76(11): 1860.

Wigner, E. und Huntington, H.B. (1935) "über die Möglichkeit einer metallischen Modifikation des Wasserstoffs," Journal of Chemical Physics 3 Absatz 12: 764.

[Phys.org]

Bild oben: eine künstlerische Darstellung eines Wasserstoffmoleküls unter Kompression mit entgegengesetzt Diamant Amboss Geräte. Bildnachweis: Philip Dalladay-Simpson und Eugene Gregoryanz.