Waterstof, dat de meest eenvoudige elementen, is een gas—ten minste in één van de typische temperaturen en drukken te vinden hier op Aarde. Maar veel wetenschappers geloven dat het kan bestaan in vloeibare metalen vorm in de kernen van gas reusachtige planeten, zoals Jupiter, en fysici zijn jacht voor een solide metalen fase voor de laatste 80 jaar.
Nu een team van Schotse natuurkundige weer de Universiteit van Edinburgh denken dat ze kunnen hebben gespot van een nieuwe fase die kan de voorloper worden van een echte vaste fase van metallisch waterstof. Ze beschreven hun bevindingen in een artikel gepubliceerd deze week in het tijdschrift Nature.
Iedere stof heeft een bepaalde moment wanneer de druk of temperatuur is precies goed om de oorzaak te verschuiven van de ene toestand of fase naar de andere. Water is het meest voorkomende voorbeeld: lager de temperatuur, voldoende en het zal veranderen in ijs; verhogen van de temperatuur aan de kook en zal verdampen in stoom.
Die kritieke punt kan zelfs variëren voor dezelfde stof. Op zee niveau, water kookt bij 212 graden F (100 graden C) en bevriest bij 32 graden F (0-graden C). Maar water kookt bij een veel lagere temperatuur in Denver, bijvoorbeeld vanwege de lagere atmosferische druk. En terug in 2006, natuurkundigen bij Sandia National Laboratories liep computer simulaties laten zien dat een geleidende fase van “metallic water” zou vormen bij temperaturen van 4000 graden Kelvin en een druk van 100 gigapascals. (Voor schaal, een gigapascal is gelijk aan ongeveer 10.000 atmosfeer van de druk.)
James Dewar, de uitvinder van de vacuum flask, bedacht hoe om waterstof om te zetten in een vloeistof en een vaste stof in 1989 en 1899, respectievelijk het gebruik van een regeneratief koeling machine bouwde hij aan de Royal Institution. De geboorte van de kwantummechanica toegevoegd een nieuwe twist. In 1935, Eugene Wigner en Hillard Bell Huntington beroemde voorspeld dat waterstof kan de overgang naar een solide geleidend metaal bij een voldoende hoge druk. Natuurkundigen zijn het najagen van deze ongrijpbare dier sinds.
Gesponsord
Het leek alsof ze in te sluiten op hun prooi in 1996, toen natuurkundigen bij het Lawrence Livermore National Laboratory heeft aangekondigd dat ze zou bereikt een vloeibare toestand van metallische waterstof in een reeks van schokken compressie experimenten. Het was slechts ongeveer 100 nanoseconden, maar dat was lang genoeg om zijn bestaan te bevestigen. Maar deze vloeistof fase van metallische waterstof is nog steeds heel anders dan de lang gezochte vaste fase, volgens William Nellis, die leiding van die eerdere experimenten.
Dit laatste werk is niet een echte vaste fase van metallisch waterstof, maar het is een veelbelovende stap vooruit. De Edinburgh natuurkundigen gebruikt twee diamanten te verpletteren waterstof en de zwaardere isotoop deuterium, het bereiken van een druk van meer dan 380 gigapascals—de hoogste nog gemeld. Ze gebruikt een techniek genaamd Raman spectroscopie, om te bestuderen hoe de moleculaire bindingen gedroeg zich onder zulke hoge druk. En ze vond dat dit is wanneer de moleculen begon te splitsen in enkele atomen en elektronen begon het te handelen meer als die gevonden worden in een metaal.
Ze hebben de bijnaam het “Fase V.” Er is nog steeds een bewijs van obligaties, dit is dus niet de lang gezochte vaste vorm. Nog niet. Maar het Edinburgh team speculeert dit kan markeren het begin van zo een solide metalen fase van waterstof. Het is misschien een klein beetje meer druk. Of is het misschien een veel meer druk. Alleen met verdere experimenten zal vertellen.
Schotse onderzoekers gebruikt Raman spectroscopie en een diamant aambeeld op zoek naar een nieuwe fase van waterstof. Credit: Philip Dalladay-Simpson en Eugene Gregoryanz.
Afgezien van de coolness factor, een echt vaste fase van metallische waterstof zou nuttig zijn voor alle soorten toepassingen—in de veronderstelling dat het zou kunnen worden “uitgeblust aan de omgevingsdruk en-temperatuur,” Nellis vertelde Gizmodo via e-mail. Dat is een vrij grote bestelling. De technische uitdagingen zijn enorm, maar als natuurkundigen ooit gelukt, we hadden een kamer-temperatuur supergeleider op onze handen. (De meeste van supergeleidende materialen, zelfs de zogenaamde high-temperaure sverkhprovodnikov, ingewikkelde koelsystemen, omdat ze alleen worden supergeleidende bij temperaturen op een lijn met vloeibaar helium en vloeibare stikstof.)
Het zou ook een fantastisch ecologisch schone brandstof (uitgaande van eventuele additieven zijn even schoon), omdat het heeft een hoge dichtheid van opgeslagen energie. Een lage, geleidelijke afgifte van die opgeslagen energie zou ideaal zijn voor auto ‘ s, treinen en vliegtuigen. Het versnellen van het vrijkomen van energie zou solide metalen waterstof een uitstekende brandstof, voor het vervangen van de vloeistof H2/O2 brandstof nu gebruikt om te lanceren raketten in de ruimte. Je kan het zelfs gebruiken als een explosieve als je zou kunnen in slagen om alle opgeslagen energie naar de release echt snel. Plus het heeft potentie als brandstof voor de inertie opsluiting fusie reactoren.
Het is mogelijk natuurkundigen zullen het nooit vinden het echt vaste vorm van metallisch waterstof ze zoeken, en zelfs als het Edinburg wetenschappers vinden in een diamant aambeeld cel in de toekomst, het niet dragen veel gelijkenis met de originele 1935 voorspelling. Nellis wijst erop dat Wigner en Huntington waren niet helemaal zeker van hun voorspelde fase van metallische waterstof zou vormen. “Het is nog nooit waargenomen in elk van de vaste fase van waterstof,” zei hij.
Referenties:
Dalladay-Simpson, P.; Howie, R., T.; Gregoryanz, E. (2016) “Bewijs voor een nieuwe fase van dichte waterstof boven 325 gigpascals,” Natuur 529: 63-67.
Nellis, W. J. (1999) “Metastabiele solide metalen waterstof,’ Filosofische Tijdschrift, 79(4): 655-661.
Weir, S., T.; Mitchell, A. C.; Nellis, W. J. (1996) “Metallisatie van de vloeistof moleculaire waterstof bij 140 GPa (1.4 Mbar),” Physical Review Letters 76(11): 1860.
Wigner, E. en Huntington, H. B. (1935) “Op de mogelijkheid van een metalen wijziging van waterstof,” Journal of Chemical Physics 3(12): 764.
[Phys.org]
Bovenste afbeelding: Een artistieke weergave van een waterstof molecuul onder compressie met behulp tegenstelling diamond aambeeld apparaten. Credit: Philip Dalladay-Simpson en Eugene Gregoryanz.