Metalik hidrojen - Metallic hydrogen

Metalik hidrojen bir olduğu faz arasında , hidrojen bir gibi davranır ki burada elektrik iletkeni . Bu aşama, 1935'te Eugene Wigner ve Hillard Bell Huntington tarafından teorik olarak öngörülmüştü .

En yüksek basınç ve sıcaklıklar metalik hidrojen kısmen olarak mevcut olabilir , sıvı yerine bir katı madde ve araştırmacılar sıcak ve büyük miktarlarda mevcut olabilir mi yerçekimsel olarak sıkıştırılmış iç kısımları Jüpiter ve Satürn ve aynı zamanda bazı ötegezegenler .

teorik tahminler

Derin bir sıvı metalik hidrojen tabakası (eflatun olarak gösterilmiştir) ve ağırlıklı olarak moleküler hidrojenden oluşan bir dış tabaka ile kaplanmış kayalık bir çekirdek ile gezegenin iç kısmının bir modelini gösteren Jüpiter'in bir diyagramı . Jüpiter'in gerçek iç bileşimi belirsizdir. Örneğin, çekirdek, erimiş çekirdek ile karıştırılan sıcak sıvı metalik hidrojenin konveksiyon akımları olarak küçülmüş ve içeriğini gezegenin iç kısmında daha yüksek seviyelere taşımış olabilir. Ayrıca, hidrojen katmanları arasında net bir fiziksel sınır yoktur - artan derinlikle gaz, sıcaklık ve yoğunlukta düzgün bir şekilde artar ve nihayetinde sıvı hale gelir. Kutup ışıkları ve Galilean uydularının yörüngeleri dışındaki özellikler ölçekli olarak gösterilmiştir .

Basınç altında hidrojen

Periyodik tablodaki alkali metal sütununun en üstünde yer almasına rağmen , hidrojen normal koşullar altında bir alkali metalin özelliklerini sergilemez. Bunun yerine, iki atomlu H oluşturur.
2halojenlere benzer moleküller ve periyodik tablonun ikinci periyodundaki azot ve oksijen gibi bazı ametaller . İki atomlu hidrojen, atmosfer basıncında , yalnızca çok düşük sıcaklıkta ( sırasıyla mutlak sıfırın 20 derece ve 14 derece üzerinde ) sıvılaşan ve katılaşan bir gazdır . Eugene Wigner ve Hillard Bell Huntington , yaklaşık 25 GPa'lık (250.000 atm; 3.600.000 psi) muazzam bir basınç altında , hidrojenin metalik özellikler göstereceğini öngördü : ayrık H yerine.
2moleküller (iki proton arasında bağlı iki elektrondan oluşur), katı bir proton kafesi ile toplu bir faz oluşur ve elektronlar baştan sona delokalize olur . O zamandan beri laboratuvarda metalik hidrojen üretmek, "...yüksek basınçlı fiziğin kutsal kâsesi" olarak tanımlandı.

Gereken basınç miktarıyla ilgili ilk tahminin sonunda çok düşük olduğu gösterildi. Wigner ve Huntington'ın ilk çalışmasından bu yana, daha modern teorik hesaplamalar, yaklaşık 400 GPa'lık (3.900.000 atm; 58.000.000 psi) daha yüksek ancak yine de potansiyel olarak ulaşılabilir metalizasyon basınçlarına işaret ediyor.

sıvı metalik hidrojen

Helyum-4 a, sıvı en normal basınçta yakın mutlak sıfır , yüksek bir sonucu sıfır nokta enerjisi (ZPE). Yoğun haldeki protonların ZPE'si de yüksektir ve yüksek basınçlarda sipariş enerjisinde (ZPE'ye göre) bir düşüş beklenir. Neil Ashcroft ve diğerleri tarafından , sıkıştırılmış hidrojende maksimum bir erime noktası olduğu , ancak aynı zamanda, düşük sıcaklıklarda bile hidrojenin sıvı bir metal olacağı 400 GPa civarındaki basınçlarda bir dizi yoğunluk olabileceğine dair argümanlar geliştirildi .

Geng, protonların ZPE'sinin gerçekten de hidrojenin erime sıcaklığını 500–1.500 GPa (4,900.000–14.800.000 atm; 73.000.000–218.000.000 psi) basınçlarda minimum 200–250 K'ye (-73––23°C) düşürdüğünü tahmin etti.

Bu düz bölge içinde , sıvı ve katı hal arasında, düşük sıcaklığa kadar yarı kararlı bir şekilde stabilize edilebilen ve bir süper katı duruma girebilen bir elementel mezofaz ara maddesi olabilir .

süperiletkenlik

Ana madde: Süperiletkenlik
Daha fazla bilgi: Oda sıcaklığında süper iletken

1968'de Neil Ashcroft , metalik hidrojenin oda sıcaklığına (290 K veya 17 °C) kadar bir süper iletken olabileceğini öne sürdü . Bu hipotez, iletim elektronları ve kafes titreşimleri arasında beklenen güçlü bir bağlantıya dayanmaktadır . Bu, 2019'un başlarında doğrulanmış olabilir, laboratuvarda en az iki kez metalik hidrojen yapılmıştır ve 250K Meissner etkisi geçici olarak gözlemlenmiştir, ancak Silvera ve diğerleri ve Fransa'daki bir ekip tarafından bağımsız olarak doğrulanmamıştır.

Bir roket itici olarak

Yarı kararlı metalik hidrojen, 1700 saniyeye kadar teorik özgül dürtü ile yüksek verimli bir roket iticisi olarak potansiyele sahip olabilir , ancak seri üretim ve geleneksel yüksek hacimli depolama için uygun yarı kararlı bir form mevcut olmayabilir.

Yeni tip kuantum sıvısı olasılığı

Maddenin şu anda bilinen "süper" halleri süperiletkenler , süperakışkan sıvılar ve gazlar ve süper katılardır . Egor Babaev , hidrojen ve döteryumun sıvı metalik halleri varsa, olağan anlamda süperiletken veya süperakışkan olarak sınıflandırılamayan kuantum sıralı durumlara sahip olabileceklerini öngördü . Bunun yerine, iki olası yeni kuantum akışkan türünü temsil edebilirler : süper iletken süper akışkanlar ve metalik süper akışkanlar . Bu tür sıvıların, Babaev'in tahminlerinin deneysel olarak doğrulanması için bir araç sağlayabilecek olan, dış manyetik alanlara ve dönüşlere oldukça sıra dışı tepkiler verdiği tahmin ediliyordu. Ayrıca, bir manyetik alanın etkisi altında, hidrojenin süperiletkenlikten süperakışkanlığa ve tam tersi faz geçişleri sergileyebileceği öne sürülmüştür .

Lityum alaşımı gerekli basıncı azaltır

2009 yılında Zurek ve ark. alaşım LiH olduğunu tahmin etti
6metalize hidrojen için gerekli basınç, yalnızca dörtte biri stabil bir metal olacaktır ve bu benzer etkiler türü LiH alaşımları için tutmak gerekir , n ve muhtemelen "diğer alkali yüksek hidrit sistemleri , örneğin alaşım tipi XH" n, X, bir yerde alkali metal . Bu, daha sonra Ach doğrulanmıştır 8 ve LAH 10 T ile C diğer bileşikler daha oda sıcaklığında üstüniletkenlik ile sadece MPa basınçlarda stabil olabilir düşüncesine yol açmaktadır 270K yaklaşan.

deneysel takip

Şok dalgası sıkıştırma, 1996

Mart 1996'da, bilim adamları bir grup Lawrence Livermore National Laboratory de bildirmiştir tesadüfen yaklaşık bir ilk saptanabilecek bir metalik hidrojen üretilen mikro az sıcaklıklarda binlerce Kelvin (; 15,000,000 psi atm 1,000,000) ve yoğunlukları, 100 GPa üzerinde basınçları yaklaşık olarak0.6 g / cm ' 3 . Ekip , gerekli olduğu düşünülen katı hidrojen kullanmadığı ve metalizasyon teorisi tarafından belirtilenlerin üzerindeki sıcaklıklarda çalıştığı için metalik hidrojen üretmeyi beklemiyordu . Katı hidrojenin elmas örsler içinde 250 GPa'ya (2.500.000 atm; 37.000.000 psi) kadar basınçlara sıkıştırıldığı önceki çalışmalar, tespit edilebilir metalleşmeyi doğrulamadı. Ekip, basitçe bekledikleri daha az aşırı elektriksel iletkenlik değişikliklerini ölçmeye çalışmıştı . Araştırmacılar , yarım milimetre kalınlığında bir sıvı hidrojen numunesi içeren sızdırmaz bir kaba bir çarpma plakası atmak için , başlangıçta güdümlü füze çalışmalarında kullanılan 1960'lardan kalma bir hafif gaz tabancası kullandılar . Sıvı hidrojen, elektrik direncini ölçen bir cihaza giden kablolarla temas halindeydi. Bilim adamları, basınç 140 GPa'ya (1.400.000 atm; 21.000.000 psi) yükseldiğinde , elektrik direncinin bir ölçüsü olan elektronik enerji bandı aralığının neredeyse sıfıra düştüğünü buldular . Hidrojenin sıkıştırılmamış durumundaki bant aralığı yaklaşık olarak15  eV , onu bir yalıtkan yapar, ancak basınç önemli ölçüde arttıkça bant aralığı yavaş yavaş düşer.0,3 eV . Çünkü ısı enerjisi sıvı (sıcaklık nedeniyle numunenin sıkıştırma 3000 K veya 2.730 ° C ila yaklaşık olmuştur) üzerinde oldu0,3 eV , hidrojen metalik olarak kabul edilebilir.

Diğer deneysel araştırmalar, 1996–2004

Laboratuvar koşullarında statik sıkıştırma ve düşük sıcaklıkta metalik hidrojen üretiminde birçok deney devam etmektedir. Arthur Ruoff ve gelen Chandrabhas Narayana Cornell Üniversitesi 1998 yılında ve daha sonra Paul Loubeyre ve gelen René LeToullec l'Energie atomique à Komiserliğince , Fransa 2002 yılında, göstermiştir ki kapanışı olanlara basınçlarda Dünya'nın merkezine (320-340 GPa veya 3,200,000–3,400,000 atm) ve 100–300 K (−173–27 °C) sıcaklıklarında hidrojen, sıfır olmayan bant aralığı nedeniyle hala gerçek bir alkali metal değildir. Metalik hidrojeni laboratuvarda düşük sıcaklıkta ve statik sıkıştırmada görme arayışı devam ediyor. Döteryum üzerinde de çalışmalar devam etmektedir . Göteborg Üniversitesi'nden Shahriar Badiei ve Leif Holmlid, 2004 yılında, uyarılmış hidrojen atomlarından ( Rydberg maddesi ) oluşan yoğunlaştırılmış metalik durumların metalik hidrojen için etkili destekleyiciler olduğunu göstermiştir.

Darbeli lazer ısıtma deneyi, 2008

Teorik olarak tahmin edilen erime eğrisi maksimumu (sıvı metalik hidrojen için ön koşul), darbeli lazer ısıtma kullanılarak Shanti Deemyad ve Isaac F. Silvera tarafından keşfedildi. Hidrojen açısından zengin moleküler silan ( SiH
4) MI Eremets ve diğerleri tarafından metalize olduğu ve süper iletken hale geldiği iddia edildi . . Bu iddia tartışmalıdır ve sonuçları tekrarlanmamıştır.

Sıvı metalik hidrojenin gözlemlenmesi, 2011

2011'de Eremets ve Troyan, 260-300 GPa (2.600.000-3.000.000 atm) statik basınçlarda hidrojen ve döteryumun sıvı metalik durumunu gözlemlediklerini bildirdi. Bu iddia, 2012 yılında diğer araştırmacılar tarafından sorgulandı.

Z makinesi, 2015

2015 yılında, Z Darbeli Güç Tesisi'ndeki bilim adamları, optik yansıtıcılıkta bir artışla ilişkili bir elektriksel yalıtkandan iletkene geçiş olan yoğun sıvı döteryum kullanılarak metalik döteryum yaratıldığını duyurdular .

Katı metalik hidrojenin iddia edilen gözlemi, 2016

5 Ekim 2016'da Harvard Üniversitesi'nden Ranga Dias ve Isaac F. Silvera, katı metalik hidrojenin laboratuvarda bir elmas örs hücresi kullanılarak yaklaşık 495 gigapaskal (4,890,000  atm ; 71,800,000  psi ) basınçta sentezlendiğine dair deneysel kanıt iddialarını yayınladı . Bu el yazması Ekim 2016'da mevcuttu ve gözden geçirilmiş bir versiyon daha sonra Ocak 2017'de Science dergisinde yayınlandı .

Makalenin ön baskı versiyonunda Dias ve Silvera şunları yazıyor:

Artan basınçla, numunede şeffaftan siyaha, yansıtıcı bir metale giden değişiklikleri gözlemliyoruz, ikincisi 495 GPa basınçta incelendi... 30.1 eV plazma frekansını belirlemek için Drude serbest elektron modeli kullanılarak yansıma de T  karşılık gelen bir elektron taşıyıcı yoğunluğu = 5.5 K,6.7 x 10 23 parçacık / cm 3 , teorik tahminleri ile uyumludur. Özellikler bir metalin özellikleridir. Laboratuvarda katı metalik hidrojen üretilmiştir.

—  Dias ve Silvera (2016)

Silvera, daha fazla testin mevcut numuneye zarar verebileceği veya yok edebileceği için deneylerini tekrarlamadıklarını belirtti, ancak bilim camiasını daha fazla testin geleceği konusunda temin etti. Ayrıca, numunenin yarı kararlı olup olmadığını (yani, basınç serbest bırakıldıktan sonra bile metalik durumunda devam edip etmeyeceğini) bulmak için basıncın sonunda serbest bırakılacağını belirtti.

İddia yayımlandı kısa bir süre sonra Science , Nature 'ın haber departmanı diğer bazı fizikçiler şüphe ile sonuca kabul belirten bir makale yayınladı. Son zamanlarda, yüksek basınç araştırma topluluğunun önde gelen üyeleri, iddia edilen basınçları veya iddia edilen basınçlarda metalik hidrojenin varlığını sorgulayarak iddia edilen sonuçları eleştirdi.

Şubat 2017'de, iddia edilen metalik hidrojen numunesinin, aralarında bulunduğu elmas örslerin kırılmasından sonra kaybolduğu bildirildi.

Ağustos 2017'de Silvera ve Dias, Science makalesinde, gerilmiş doğal elmasların optik yoğunluğu ile ön sıkıştırma elmas örs hücrelerinde kullanılan sentetik elmaslar arasındaki farklılıklar nedeniyle düzeltilmiş yansıma değerleriyle ilgili bir hata yayınladı .

Haziran 2019'da Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatiflerinden (Fransız Alternatif Enerjiler ve Atom Enerjisi Komisyonu) bir ekip, elektron ışını işleme kullanılarak üretilen bir toroidal profil elmas örs hücresi kullanarak yaklaşık 425 GPa'da metalik hidrojen oluşturduğunu iddia etti.

Ulusal Ateşleme Tesisinde sıvı döteryum deneyleri, 2018

Ağustos 2018'de bilim adamları, sıvı döteryumun 2000 K'nin altında bir yalıtkandan metalik bir forma hızlı dönüşümüne ilişkin yeni gözlemler duyurdular . bugüne kadarki en doğru yöntem. Bu, araştırmacıların Jüpiter, Satürn ve ilgili ötegezegenler gibi dev gaz gezegenleri daha iyi anlamalarına yardımcı olabilir , çünkü bu tür gezegenlerin gözlemlenen güçlü manyetik alanlarından sorumlu olabilecek çok fazla sıvı metalik hidrojen içerdiği düşünülmektedir .

Ayrıca bakınız

Referanslar