Wasserstoff,, dass die meisten einfach der Elemente, ist ein gas—zumindest bei den typischen Temperaturen und drücke, die hier auf der Erde gefunden. Aber viele Wissenschaftler glauben, es könnte es existieren in der Flüssigkeit Metall-form in den Kernen von Gasriesen wie Jupiter und Physiker wurden auf der Jagd nach einem festen metallischen phase, die für die letzten 80 Jahre.
Nun ein team von schottischen Physiker her der Universität von Edinburgh denke, Sie haben möglicherweise entdeckt eine neue phase, kann die Vorstufe zu einer wahren festen phase der metallischen Wasserstoff. Sie beschreiben Ihre Ergebnisse in einem Papier veröffentlicht in dieser Woche in der Fachzeitschrift “Nature”.
Jeder Stoff hat einen bestimmten moment, wenn der Druck oder die Temperatur ist genau richtig, damit es der übergang von einem Zustand oder phase, zu einem anderen. Wasser ist das häufigste Beispiel: niedriger die Temperatur ausreichend und es wird zu Eis; Erhöhung der Temperatur zum Kochen und verdampfen in Dampf.
Die kritischen Punkt variieren kann sogar für die gleiche Substanz. Auf Meereshöhe, Wasser kocht bei 212 ° F (100 ° C) und friert bei 32 ° F (0 ° C). Aber das Wasser zu Kochen beginnt, bei einer viel niedrigeren Temperatur in Denver, zum Beispiel, weil der unteren atmosphärischen Druck. Und bereits im Jahr 2006, Physiker an den Sandia National Laboratories lief computer-Simulationen zeigen, dass eine leitende phase der “metallischen Wasser” bilden würden bei Temperaturen von 4000-Grad Kelvin und einem Druck von 100 gigapascals. (Für Skala, eine gigapascal entspricht etwa 10.000 Atmosphären Druck.)
James Dewar, der Erfinder der Thermoskanne, herausgefunden, wie man Wasserstoff in eine flüssige und eine Feste 1989 und 1899, jeweils mit einem regenerative Kühlung Maschine baute er an der Royal Institution. Die Geburt der Quantenmechanik Hinzugefügt eine neue Wendung. Im Jahr 1935, Eugene Wigner und Hillard Bell Huntington berühmt vorausgesagt, dass der Wasserstoff könnte übergang zu einer festen leitfähigen Metall bei ausreichend hohem Druck. Physiker wurden Jagd nach diesem schwer fassbaren Tier immer da.
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Es sah aus wie Sie waren, schließen sich an Ihre Beute im Jahr 1996, als die Physiker am Lawrence Livermore National Laboratory angekündigt, Sie würden erzielt einen flüssigen Zustand von metallischen Wasserstoff in einer Reihe von Schock Kompression Experimente. Es war nur etwa 100 Nanosekunden, aber das war lange genug, um seine Existenz zu bestätigen. Aber dieses fluid phase der metallischen Wasserstoff ist immer noch sehr Verschieden von der lang ersehnte Feste phase, nach William Nellis, die led jene früheren Experimenten.
Diese neueste Arbeit ist nicht eine echte Feste phase von metallischen Wasserstoff, entweder, aber es ist ein viel versprechender Schritt nach vorne. Die Edinburgh Physiker verwendet zwei Diamanten zu zerquetschen, Wasserstoff und seine schwereren Isotop deuterium, erreichen drücken von mehr als 380 gigapascals—der höchste noch gemeldet. Sie verwendet eine Technik namens Raman-Spektroskopie zu untersuchen, wie die molekularen Bindungen benahm sich unter so hohem Druck. Und Sie fand, dass dies ist, wenn die Moleküle angefangen zu zerlegen in einzelne Atome und Elektronen begann zu handeln, wie Sie in einem Metall.
Haben Sie nannte es “Phase V.” Es gibt immer noch einige Beweise von Anleihen, so ist dies nicht das lang ersehnte Feste form. Noch. Aber Edinburgh-team spekuliert, könnte dies den Ausbruch von mark einer so massiven metallischen phase von Wasserstoff. Es könnte nur einen Tick mehr Druck. Oder es könnte viel mehr Druck. Nur weitere Experimente zeigen.
Schottische Forscher Raman-Spektroskopie und ein Diamant Amboss zu finden, eine neue phase der Wasserstoff. Credit: Philip Dalladay-Simpson und Eugene Gregoryanz.
Abgesehen von der coolness-Faktor, eine wirklich Feste phase von metallischen Wasserstoff wäre nützlich für alle Arten von Anwendungen—vorausgesetzt, es könnte sein “abgeschreckt, Umgebungsdruck und-Temperatur” Nellis gesagt Gizmodo per E-Mail. Das ist ein ziemlich großer Auftrag. Die technischen Herausforderungen sind gewaltig, aber wenn Physiker jemals gelang, konnten wir eine Raumtemperatur-Supraleiter auf unsere Hände. (Die meisten supraleitenden Materialien, auch die so genannte high-temperaure Supraleiter, erfordern komplizierte Kühlsysteme, da Sie nur supraleitenden bei Temperaturen auf Augenhöhe mit flüssigem helium und flüssigem Stickstoff.)
Es wäre auch eine fantastische umweltfreundlichen Brennstoff-Quelle (vorausgesetzt, alle Zusatzstoffe sind ebenso sauber), weil es eine so hohe Dichte der gespeicherten Energie. Eine niedrige, allmähliche Freisetzung der gespeicherten Energie wäre ideal für Autos, Züge und Flugzeuge. Die Beschleunigung der Freisetzung von Energie machen würde, festen metallischen Wasserstoff eine ausgezeichnete Treibstoff zu ersetzen, die flüssig-H2/O2-Kraftstoff-jetzt starten Sie Raketen in den Weltraum. Sie könnte sogar als eine explosive, wenn könnten Sie verwalten, um alle gespeicherten Energie zu release wirklich schnell. Plus es hat Potenzial als Treibstoff für inertial confinement fusion Reaktoren.
Es ist möglich, Physiker niemals finden, die wirklich Feste form von metallischem Wasserstoff, die Sie suchen—und auch wenn die Edinburg Wissenschaftler finden ihn in einer Diamant-Amboss-Zelle in die Zukunft, die es nicht ertragen viel ähnlichkeit, dass original 1935 Vorhersage. Nellis weist darauf hin, dass Wigner und Huntington gar nicht sicher, dass Ihr vorhergesagt phase der metallischen Wasserstoff form überhaupt. “Es hat noch nie beobachtet, in einer festen phase der Wasserstoff”, sagte er.
Referenzen:
Dalladay-Simpson, P.; Howie, R. T.; Gregoryanz, E. (2016) “Beweise für eine neue phase der Dichte Wasserstoff über 325 gigpascals,” Natur 529: 63-67.
Nellis, W. J. (1999) “Metastabilen festen metallischen Wasserstoff,” Philosophische Zeitschrift 79(4): 655-661.
Wehr, S. T.; Mitchell, A. C.; Nellis, W. J. (1996) “Metallisierung von Flüssigkeit molekularen Wasserstoff bei 140 GPa (1.4 Mbar),” Physical Review Letters 76(11): 1860.
Wigner, E. und Huntington, H. B. (1935) “Auf die Möglichkeit, eine metallische Modifikation von Wasserstoff,” Journal of Chemical Physics 3(12): 764.
[Phys.org]
Bild oben: Eine Künstlerische Darstellung einer Wasserstoff-Molekül unter Kompression mit Gegensatz Diamant-Amboss-Geräte. Credit: Philip Dalladay-Simpson und Eugene Gregoryanz.