L’idrogeno, il più semplice degli elementi, è un gas, almeno in un tipico temperature e pressioni trovato qui sulla Terra. Ma molti scienziati ritengono che potrebbe esistere in metallo liquido che si forma nei nuclei dei pianeti giganti gassosi come Giove, e i fisici hanno dato la caccia per una solida fase metallica per gli ultimi 80 anni.
Ora un team Scozzese fisici per l’Università di Edimburgo, che pensano di poter avere individuato una nuova fase che potrebbe essere il precursore di una vera fase solida di idrogeno metallico. Hanno descritto i loro risultati in un articolo pubblicato questa settimana sulla rivista Nature.
Ogni sostanza ha un momento preciso in cui la pressione o la temperatura è appena a destra per causare lo spostamento da uno stato, o di una fase, di un altro. L’acqua è l’esempio più comune: abbassare la temperatura sufficientemente e si trasformerà in ghiaccio; aumentare la temperatura di ebollizione e far evaporare in vapore.
Che il punto critico può variare anche per la stessa sostanza. A livello del mare, l’acqua bolle a 212 ° F (100 ° C) e gela a 32 gradi F (0 ° C). Ma l’acqua bolle a una temperatura molto più bassa a Denver, per esempio, a causa della bassa pressione atmosferica. E nel 2006, i fisici presso i Sandia National Laboratories corse simulazioni al computer che mostra che un conduttore di fase di “metallizzato acqua” si forma a temperature di 4000 gradi Kelvin e una pressione di 100 gigapascals. (La scala, uno gigapascal è equivalente a circa 10.000 atmosfere di pressione.)
James Dewar, inventore del pallone a vuoto, è riuscito a far idrogeno si trasformano in un liquido e un solido nel 1989 e il 1899, rispettivamente, utilizzando un rigenerativa di raffreddamento ha una macchina costruita presso il Royal Institution. La nascita della meccanica quantistica aggiunto un tocco nuovo. Nel 1935, Eugene Wigner e Hillard Campana Huntington notoriamente previsto che l’idrogeno potrebbe transizione ad un solido metallo conduttivo a sufficientemente alte pressioni. I fisici hanno dato la caccia dopo questa fantomatica bestia da sempre.
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Sembrava come se stessero chiudendo su di loro prede nel 1996, quando i fisici presso il Lawrence Livermore National Laboratory ha annunciato che avevano raggiunto un fluido stato di idrogeno metallico in una serie di compressione dell’ammortizzatore esperimenti. Fu solo intorno per circa 100 nanosecondi, ma che era abbastanza a lungo per confermare la sua esistenza. Ma questo fluido fase di idrogeno metallico è ancora molto diverso da lungo cercato fase solida, secondo William Nellis, che ha guidato i precedenti esperimenti.
Questo ultimo lavoro non è una vera fase solida di idrogeno metallico, ma uno più promettente passo in avanti. Edimburgo fisici utilizzati due diamanti per schiacciare l’idrogeno e il suo isotopo più pesante, deuterio, raggiungere una pressione di oltre 380 gigapascals—la più alta ancora segnalato. Hanno usato una tecnica chiamata spettroscopia Raman per studiare come i legami molecolari educati sotto ad alte pressioni. E hanno scoperto che questo è quando le molecole iniziato a suddividere in singoli atomi e gli elettroni hanno iniziato ad agire più come quelli che si trovano in un metallo.
L’hanno soprannominata “la Fase di V.” Ci sono ancora alcune prove di obbligazioni, quindi questo non l’ha cercato a lungo una forma solida. Di sicurezza. Ma la squadra di Edimburgo specula questo potrebbe segnare l’esordio di un solido metallico fase di idrogeno. Si potrebbe prendere un pochino di più la pressione. Oppure si potrebbe prendere un sacco di più la pressione. Solo ulteriori esperimenti dirà.
Scozzese, i ricercatori hanno utilizzato la spettroscopia Raman e un diamante incudine per trovare una nuova fase di idrogeno. Credito: Filippo Dalladay-Simpson e Eugene Gregoryanz.
A parte il fattore freddezza, una vera e propria fase solida di idrogeno metallico che sarebbe utile per tutti i tipi di applicazioni—supponendo che potrebbe essere “spenta a pressione e temperatura ambiente,” Nellis detto Gizmodo via e-mail. Che è un ordine abbastanza alto. Le difficoltà sono enormi, ma se i fisici mai riuscito, si potrebbe avere una temperatura superconduttore sulle nostre mani. (La maggior parte dei materiali superconduttori, anche i così detti ad alta temperatura superconduttori, la necessità di complicati sistemi di raffreddamento, dal momento che diventano superconduttori a temperature pari con elio liquido e azoto liquido.)
Sarebbe anche un fantastico ambiente pulito fonte di combustibile (supponendo che tutti gli additivi sono altrettanto puliti), perché ha una alta densità di energia immagazzinata. Un basso, a rilascio graduale di energia immagazzinata sarebbe l’ideale per auto, treni e aerei. Accelerare il rilascio di energia sarebbe tinta di idrogeno metallico un ottimo propellente, per sostituire il liquido H2/O2 carburante attualmente utilizzato per lanciare i razzi nello spazio. Si potrebbe anche usarlo come un esplosivo se si riuscisse a ottenere tutta l’energia immagazzinata rilasciare molto veloce. In più ha potenziale come combustibile per confinamento inerziale reattori a fusione.
È possibile che i fisici non si troverà mai la vera forma solida di idrogeno metallico cercano—e anche se Edinburgo, gli scienziati trovano in una cella a incudine di diamante, in futuro, di non sopportare molta somiglianza con quella originale 1935 previsione. Nellis punti che Wigner e la corea di Huntington non erano del tutto sicuri di aver predetto fase di idrogeno metallico sarebbe a tutti. “Non è mai stata osservata in qualsiasi fase solida di idrogeno”, ha detto.
Riferimenti:
Dalladay-Simpson, P.; Howie, R. T.; Gregoryanz, E. (2016) “Prove per una nuova fase di densa di idrogeno al di sopra di 325 gigpascals,” Natura 529: 63-67.
Nellis, W. J. (1999) “Metastabile solido di idrogeno metallico,” Philosophical Magazine 79(4): 655-661.
Weir, S. T.; Mitchell, A. C.; Nellis, W. J. (1996) “la Metallizzazione del fluido di idrogeno molecolare a 140 GPa (1.4 Mbar),” Physical Review Letters 76(11): 1860.
Wigner, E. e la corea di Huntington, H. B. (1935) “Sulla possibilità di una metallizzato modifica di idrogeno, in” Giornale di Chimica Fisica 3(12): 764.
[Phys.org]
Immagine in alto: Una rappresentazione artistica di una molecola di idrogeno sotto compressione utilizzando contrario di diamante incudine dispositivi. Credito: Filippo Dalladay-Simpson e Eugene Gregoryanz.