Hydrogen, som mest enkle elementer, er et gass—i det minste på de typiske temperaturer og trykk som du finner her på Jorden. Men mange forskere mener det det kunne eksistere i flytende metall i form av kjerner av gass gigantiske planeter som Jupiter, og fysikere har vært på jakt etter en solid metallic fase for de siste 80 år.
Nå har et team av Skotske fysikere fra Universitetet i Edinburgh tror de kan ha oppdaget en ny fase som kan være forløper for en virkelig solid fase av metallisk hydrogen. De beskrev sine funn i en artikkel publisert denne uken i tidsskriftet Nature.
Ethvert stoff som har en bestemt øyeblikk når trykk eller temperatur er bare rett til å føre til at det å skifte fra en medlemsstat, eller fase til en annen. Vann er det vanligste eksempelet: senk temperaturen i tilstrekkelig grad, og det vil slå inn i isen; øk temperaturen til en byll, og det vil fordampe til damp.
Det kritiske punktet kan variere, selv for det samme stoffet. På havet, vann koker ved 212-grader F (100 grader C) og fryser ved 32 grader F (0-grader C). Men vann koker ved en mye lavere temperatur i Denver, for eksempel på grunn av lavere atmosfærisk trykk. Og tilbake i 2006, fysikere ved Sandia National Laboratories løp datasimuleringer viser at et ledende fase av “metallic vann” vil skjemaet ved temperaturer over 4000-grader Kelvin og et trykk på 100 gigapascals. (For skala, en gigapascal tilsvarer ca 10 000 atmosfærer press.)
James Dewar, oppfinneren av vakuum kolbe, fant ut hvordan å få hydrogen til å slå inn i en væske og et solid i 1989 og 1899, henholdsvis ved hjelp av en regenerativ kjøling maskinen han bygget ved Royal Institution. Fødselen av quantum mechanics har lagt til en ny vri. I 1935, Eugene Wigner og Hillard Bell Huntington kjent spådd at hydrogen kan overgangen til en solid ledende metall på tilstrekkelig høyt trykk. Fysikere har vært jage etter denne unnvikende dyret siden den gang.
Sponset
Det så ut som de var nærme på sine byttedyr i 1996, da fysikere ved Lawrence Livermore National Laboratory annonserte at de hadde oppnådd en flytende tilstand av metallisk hydrogen i en serie av sjokk komprimering eksperimenter. Det var bare rundt for om 100 nanosekunder, men det var lenge nok til å bekrefte sin eksistens. Men dette væske fase av metallisk hydrogen er fortsatt svært forskjellig fra den lenge ettertraktede fast fase, ifølge William Nellis, som ledet de tidligere eksperimenter.
Denne siste arbeid er ikke en ekte solid fase av metallisk hydrogen, heller, men det er en mer lovende skritt fremover. Edinburgh fysikere brukt to diamanter for å knuse hydrogen og tyngre isotopen, deuterium, oppnå presset av mer enn 380 gigapascals—den høyeste ennå rapportert. De har brukt en teknikk som kalles Raman spektroskopi til å studere hvordan molekylære obligasjoner oppførte seg under slike høye trykk. Og de fant ut at dette er når molekyler begynte å bryte fra hverandre i enkle atomer og elektroner begynte å opptre mer som de som finnes i et metall.
De har kalt det “Fase V.” Det er fortsatt noen bevis for obligasjoner, så dette er ikke den lenge ettertraktede fast form. Ennå. Men Edinburgh team spekulerer dette kan markere starten på en så solid metallic fase av hydrogen. Det kan ta bare en wee litt mer press. Eller det kan ta en mye mer press. Bare ytterligere eksperimenter vil fortelle.
Skotske forskere som brukes Raman spektroskopi og en diamant ambolt å finne en ny fase av hydrogen. Kreditt: Philip Dalladay-Simpson og Eugene Gregoryanz.
Bortsett fra kuldefaktor, en virkelig solid fase av metallisk hydrogen vil være nyttig for alle typer applikasjoner, forutsatt at det kunne være “ute til omgivende trykk og temperatur,” Nellis fortalte Gizmodo via e-post. Det er en ganske høy orden. De tekniske utfordringene er formidable, men hvis fysikere noen gang lyktes, kunne vi ha en romtemperatur superleder på hendene våre. (De fleste superledende materialer, selv den såkalte høy-temperaure superledere, krever komplisert kjølesystemer, siden de bare blir superledende ved temperaturer på linje med flytende helium og flytende nitrogen.)
Det ville også være en fantastisk miljømessig rent drivstoff kilde (forutsatt at alle tilsetningsstoffer som er like ren), fordi det har en så høy tetthet av lagret energi. En lav, gradvis frigjøring av lagret energi ville være ideelt for biler, tog og fly. Fartsovertredelse opp energi ville lage solide metallisk hydrogen er et utmerket drivstoff, for å erstatte væske-H2/O2 drivstoff nå brukt til å lansere raketter inn i rommet. Du kan også bruke den som en eksplosiv hvis du kunne klare å få alle de lagret energi for å frigjøre virkelig rask. Pluss at den har potensial som et drivstoff for treghet i fangenskap fusion reaktorer.
Det er mulig fysikere vil aldri finne den virkelig solid form av metallisk hydrogen de søker—og selv om Edinburg forskere finner det i en diamant ambolt celle i fremtiden, det vil ikke bære for mye likhet med den opprinnelige 1935 prediksjon. Nellis peker på at Wigner og Huntington var ikke sikker på deres anslåtte fase av metallisk hydrogen ville form i det hele tatt. “Det har aldri blitt observert i noen solid fase av hydrogen,” sa han.
Referanser:
Dalladay-Simpson, P.; Howie, R. T.; Gregoryanz, E. (2016) “Bevis for en ny fase med tett hydrogen over 325 gigpascals,” Natur 529: 63-67.
Nellis, W. J. (1999) “Metastable solid metallisk hydrogen,” Filosofisk Tidsskrift 79(4): 655-661.
Weir, S. T.; Mitchell, A. C.; Nellis, W. J. (1996) “Metallization av væske molekylært hydrogen på 140 GPa (1.4 Mbar),” Physical Review Letters 76(11): 1860.
Wigner, E. og Huntington, H. B. (1935) “På muligheten av en metallisk endring av hydrogen,” Journal of Chemical Physics 3(12): 764.
[Phys.org]
Øverste bilde: En kunstnerisk fremstilling av en hydrogen-molekylet under komprimering ved hjelp motsetning diamond ambolt enheter. Kreditt: Philip Dalladay-Simpson og Eugene Gregoryanz.