Metallisk brint

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 9. september 2020; checks kræver 34 redigeringer .

Metallisk brint  er et sæt fasetilstande af brint , som er under ekstremt højt tryk og har gennemgået en faseovergang . Metallisk brint er en degenereret tilstand af stof og kan ifølge nogle antagelser have nogle specifikke egenskaber - højtemperatursuperledning og høj specifik faseovergangsvarme.

Forudsagt teoretisk i 1935 af Hillard Huntington og Eugene Wigner .

Forskningshistorie

I 1930'erne foreslog den britiske videnskabsmand John Bernal , at atomart brint, bestående af en proton og en elektron og repræsenterede en komplet analog af alkalimetaller , kunne være stabil ved høje tryk [1] . I 1935 udførte Eugene Wigner og Hillard Bell Huntington de tilsvarende beregninger. Bernals hypotese blev bekræftet - ifølge beregningerne passerer molekylært brint ind i den atomare metalfase ved et tryk på omkring 250 tusinde atmosfærer (25 GPa ) med en signifikant stigning i densiteten [2] . Efterfølgende blev estimatet for det nødvendige tryk for faseovergangen øget, men overgangsbetingelserne vurderes stadig som potentielt opnåelige. Forudsigelsen af ​​egenskaberne af metallisk brint udføres teoretisk. Under ledelse af akademiker L.F. Vereshchagin blev metallisk brint opnået for første gang i verden, en rapport om dette blev offentliggjort i 1975 [3] . Eksperimentet blev gentaget mange gange, ved høje tryk (ved 304 GPa) og lave temperaturer (op til 4,2 K), opnåede brint elektrisk ledningsevne (modstanden faldt med mindst 1 million gange), når prøven blev opvarmet og trykket blev sænket , antog brint de samme egenskaber. Der var også rapporter om dette emne i 1996, 2008 og 2011, indtil professor Isaac Silvera og hans kollega Ranga Diaz i 2017 ikke opnåede en stabil prøve ved et tryk på 5 millioner atmosfærer [4] [5] [1] , kammeret, hvor prøven blev opbevaret, kollapsede imidlertid under tryk, og prøven gik tabt.

Forholdet til andre områder af fysikken

Astrofysik

Det menes, at der er store mængder metallisk brint til stede i kernerne af de gigantiske planeter  - Jupiter, Saturn - og store exoplaneter . På grund af gravitationskompression bør en kerne af metallisk brint være under gaslaget.

Teoretiske egenskaber

Overgang til den metalliske fase

Når det ydre tryk stiger til titusinder af GPa, begynder gruppen af ​​hydrogenatomer at udvise metalliske egenskaber. Hydrogenkerner ( protoner ) nærmer sig hinanden meget tættere end Bohr-radius , til en afstand, der kan sammenlignes med de Broglie-bølgelængden af ​​elektroner. Dermed bliver elektronens bindingskraft med kernen ikke-lokaliseret, elektronerne er svagt bundet til protonerne og danner en fri elektrongas på samme måde som i metaller.

Flydende metallisk brint

Den flydende fase af metallisk brint adskiller sig fra den faste fase i fravær af lang rækkefølge . Der er en diskussion om det acceptable interval for eksistensen af ​​flydende metallisk brint. I modsætning til helium-4 , som er flydende ved temperaturer under 4,2  K og normalt tryk på grund af nulpunkts nulpunktsenergi , har en række tætpakkede protoner betydelig nulpunktsenergi. Følgelig forventes overgangen fra en krystallinsk til en uordnet fase ved endnu højere tryk. En undersøgelse af N. Ashcroft indrømmer et område med flydende metallisk brint ved et tryk på omkring 400 GPa og lave temperaturer [6] [7] . I andre værker foreslår E. Babaev, at metallisk brint kan være en metallisk superfluid væske [8] [9] .

Superledningsevne

I 1968 foreslog Neil Ashcroft , at metallisk brint kunne være superledende ved relativt høje temperaturer [10] .

Mere nøjagtige beregninger [11] ( N. A. Kudryashov , A. A. Kutukov, E. A. Mazur, JETP Letters, vol. 104, udgave 7, 2016, s. 488) viste, at den kritiske temperatur af metallisk brint i fase I41/AMD, den samme undersøgte [4] af Ranga Diaz og Isaac Silvera ved et tryk på 5 millioner atmosfærer, giver en superledende overgangstemperatur på 215 kelvin , altså -58 grader Celsius.

Eksperimentelle forsøg på at opnå

Eksperimenter i 1970'erne

Under ledelse af akademiker L.F. Vereshchagin blev metallisk brint opnået for første gang i verden, en rapport om dette blev offentliggjort i 1975 [3] . Forsøget blev udført med diamantambolte. Eksperimentet blev gentaget mange gange, ved høje tryk (ved 304 GPa) og lave temperaturer (op til 4,2 K), opnåede brint elektrisk ledningsevne (modstanden faldt med mindst 1 million gange), når prøven blev opvarmet og trykket blev sænket , antog brint de samme egenskaber.

Metallisering af brint ved stødkomprimering i 1996

I 1996 rapporterede Livermore National Laboratory , at forskning havde skabt betingelserne for brintmetallisering og givet det første bevis på dets mulige eksistens [12] . I kort tid (ca. 1 ms) blev der nået et tryk på mere end 100 GPa (atm.), en temperatur i størrelsesordenen tusindvis af kelvin og en stoftæthed på omkring 600 kg/m 3 [13] . Da tidligere forsøg med at komprimere fast brint i en celle med diamantambolte til 250 GPa ikke gav resultater, var formålet med forsøget ikke at opnå metallisk brint, men kun at studere prøvens ledningsevne under tryk. Men efter at have nået 140 GPa , forsvandt den elektriske modstand praktisk talt. Båndgabet af brint under tryk var 0,3 eV , hvilket viste sig at være sammenligneligt med den termiske energi svarende til 3000 K, og som indikerer en "halvleder-metal" overgang.

Forskning siden 1996

Forsøg fortsatte med at omdanne brint til en metallisk tilstand ved statisk kompression ved lave temperaturer. A. Ruoff og C. Narayana ( Cornell University , 1998) [14] , P. Louvier og R. Lethule (2002) nærmede sig successivt de tryk, der blev observeret i Jordens centrum (324-345 GPa), men observerede stadig ikke en faseovergang.

Eksperimenter i 2008

Det teoretisk forudsagte maksimum af smeltekurven på fasediagrammet, der indikerer den flydende metalfase af hydrogen, blev eksperimentelt opdaget af S. Deemyad og I. Silvera [15] . M. Eremetz' gruppe annoncerede overgangen af ​​silan til den metalliske tilstand og manifestationen af ​​superledning [16] , men resultaterne blev ikke gentaget [17] [18] .

Eksperimenter i 2011

I 2011 blev observationen af ​​en flydende metallisk fase af brint og deuterium ved et statisk tryk på 260-300 GPa rapporteret [19] , hvilket igen rejste spørgsmål i det videnskabelige samfund [20] .

Eksperimenter i 2015

Den 26. juni 2015 blev der publiceret en artikel i tidsskriftet Science , som beskriver et vellykket eksperiment af en gruppe forskere fra Sandia National Laboratories (USA) sammen med en gruppe fra University of Rostock (Tyskland) til at komprimere flydende deuterium ( tung brint) ved hjælp af Z-maskinen til en tilstand, som udviser egenskaberne af et metal [21] .

Eksperimenter i 2016

I juli 2016 blev det rapporteret, at fysikere fra Harvard University formåede at skaffe metallisk brint i laboratoriet. De opvarmede flydende brint ved hjælp af korte blink fra en laser til en temperatur på omkring 1900 grader Celsius og udsatte det for et tryk på 1,1-1,7 megabar [22] .

Det forventes, at dette stof vil være metastabilt, det vil sige, når trykket fjernes, vil det forblive et metal. Fysikernes eksperiment hjælper med at forklare, hvilke processer der kan forekomme i gasgiganters tarme. Forskere foreslår, at metallisk brint i fremtiden kan bruges som raketbrændstof eller som en superleder, der kan eksistere ved stuetemperatur [23] .

Det videnskabelige samfund var skeptisk over for denne nyhed [24] og forventede et gen-eksperiment [25] .

2018 eksperimenter med metallisk deuterium

I august 2018 annoncerede forskerne observationen af ​​en hurtig overgang af flydende deuterium til en metallisk form ved temperaturer under 200 K. Der blev fundet bemærkelsesværdig overensstemmelse mellem eksperimentelle data og teoretiske forudsigelser baseret på simuleringer ved brug af kvante Monte Carlo-metoden , som anses for at være den mest præcis metode til dato. Dette kunne hjælpe forskere med bedre at forstå det indre af gasgiganter som Jupiter, Saturn og en række exoplaneter uden for solsystemet [26] [27] .

Eksperimenter i 2020

I januar 2020 bekræftede franske fysikere betingelserne for eksistensen af ​​metallisk brint, som deres eksperimenter viste, sker overgangen af ​​brint til metallisk tilstand ved et tryk på 4,18 millioner atmosfærer [28] [29] .

Potentielle applikationer

brændstofceller

Metastabile forbindelser af metallisk brint er lovende som et kompakt, effektivt og rent brændstof. Ved overgangen af ​​metallisk brint til den sædvanlige molekylære fase frigives 20 gange mere energi end ved forbrænding af en blanding af ilt og brint - 216 MJ/kg [30] .

Højtemperatur superledere

Ifølge mange teoretiske modeller skulle metallisk brint have en meget høj kritisk temperatur T c , hvis denne antagelse bekræftes eksperimentelt, så vil metallisk brint som superleder finde anvendelse på mange områder.

I kunst

Noter

  1. ↑ 1 2 Sergey Stishov . Den praktiske brug af metallisk brint bør tilskrives science fiction
  2. ↑ Wigner, E.; Huntington, HB Om muligheden for en metallisk modifikation af brint //  Journal of Chemical Physics. - 1935. - Bd. 3 , nr. 12 . — S. 764 . - doi : 10.1063/1.1749590 .  
  3. ↑ 1 2 Vereshchagin L. F., Yakovlev E. N., Timofeev Yu. A. "Mulighed for overgang af brint til den ledende tilstand" UFN 117 183–184 (1975) . Hentet 29. juli 2021. Arkiveret fra originalen 29. juli 2021.
  4. ↑ 1 2 Ranga P. Dias, Isaac F. Silvera. Observation af Wigner-Huntington-overgangen til metallisk brint   // Videnskab . — 2017-01-26. — P. eaal1579 . — ISSN 1095-9203 0036-8075, 1095-9203 . - doi : 10.1126/science.aal1579 . Arkiveret fra originalen den 15. februar 2017.
  5. ↑ I, Geologi . Forskere har endelig skabt metallisk brint , geologi IN . Arkiveret fra originalen den 30. januar 2017. Hentet 28. januar 2017.
  6. ↑ Ashcroft NW The hydrogen liquids  //  Journal of Physics: Condensed Matter. - 2000. - Vol. 12 , nr. 8A . — P. A129 . - doi : 10.1088/0953-8984/12/8A/314 .
  7. ↑ Bonev SA, et al. En kvantevæske af metallisk brint foreslået af de første principper-beregninger   // Nature . - 2004. - Bd. 431 , nr. 7009 . — S. 669 . - doi : 10.1038/nature02968 . - arXiv : cond-mat/0410425 .
  8. ↑ Babaev E. , Ashcroft NW Overtrædelse af London-loven og Onsager-Feynman-kvantisering i multikomponent-superledere  // Nature Physics  . - 2007. - Bd. 3 , nr. 8 . — S. 530 . - doi : 10.1038/nphys646 . - arXiv : 0706.2411 .
  9. ↑ Babaev E., Sudbø A., Ashcroft NW En superleder til superfluid faseovergang i flydende metallisk brint   // Nature . - 2004. - Bd. 431 , nr. 7009 . — S. 666 . - doi : 10.1038/nature02910 . - arXiv : cond-mat/0410408 .
  10. ↑ Ashcroft, NW Metallic Hydrogen: A High-Temperature Superconductor? (engelsk)  // Physical Review Letters. - 1968. - Bd. 21 , nr. 26 . - S. 1748 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.21.1748 .
  11. ↑ NA Kudryashov, AA Kutukov, EA Mazur. Kritisk temperatur af metallisk brint ved et tryk på 500 GPa  (engelsk)  // JETP Letters. — 2016-12-14. — Bd. 104 , udg. 7 . - S. 460-465 . - doi : 10.1134/S0021364016190061 . Arkiveret fra originalen den 24. september 2017.
  12. ↑ Weir ST, Mitchell AC, Nellis WJ Metallisering af flydende molekylært hydrogen ved 140 GPa (1,4 Mbar  )  // Physical Review Letters. - 2004. - Bd. 76 , nr. 11 . - S. 1860 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.76.1860 .
  13. ↑ Nellis, W. J. Metastabilt metallisk brintglas . Lawrence Livermore Preprint UCRL-JC-142360 OSTI 15005772 (2001). - "minimum elektrisk ledningsevne af et metal ved 140 GPa, 0,6 g/cm3 og 3000 K".
  14. ↑ Ruoff AL, et al. Fast brint ved 342 GPa : Intet bevis for et alkalimetal   // Natur . - 1998. - Bd. 393 , nr. 6680 . - S. 46 . - doi : 10.1038/29949 .
  15. ↑ Deemyad S., Silvera IF The melting line of hydrogen at high pressures  //  Physical Review Letters. - 2008. - Bd. 100 , nej. 15 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.100.155701 . - arXiv : 0803.2321 .
  16. ↑ Eremets M.I., et al. Superledningsevne i brintdominerende materialer:  Silan  // Science . - 2008. - Bd. 319 , nr. 5869 . - S. 1506-1509 . - doi : 10.1126/science.1153282 .
  17. ↑ Degtyareva O. Dannelse af overgangsmetalhydrider ved høje tryk  //  Solid State Communications. - 2009. - Bd. 149 , nr. 39-40 . - doi : 10.1016/j.ssc.2009.07.022 . - arXiv : 0907.2128v1 .
  18. ↑ Hanfland M., Proctor J., Guillaume CL, et al. Højtrykssyntese, amorfisering og nedbrydning af silan  (engelsk)  // Physical Review Letters. - 2011. - Bd. 106 , nr. 9 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.106.095503 .
  19. ↑ Eremets MI, Troyan IA Ledende tæt hydrogen  // Naturmaterialer  . - 2011. - Nej. 10 . - S. 927-931 . - doi : 10.1038/nmat3175 .
  20. ↑ Nellis WJ, Ruoff A., Silvera IF Has Metallic Hydrogen Been Made in a Diamond Ambolt Cell? (engelsk)  // arxiv.org. - 2012. - arXiv : http://arxiv.org/abs/1201.0407 .
  21. ↑ MD Knudson, MP Desjarlais, A. Becker, RW Lemke, KR Cochrane, ME Savage, DE Bliss, TR Mattsson, R. Redmer. Direkte observation af en brat overgang mellem isolator og metal i tæt flydende deuterium  (engelsk)  // Science . - 26. juni 2015. - Bd. 348 , nr. 6242 . - S. 1455-1460 . - doi : 10.1126/science.aaa7471 .
  22. ↑ Fysikere har modtaget en partikel af Jupiter på Jorden . Hentet 2. juli 2016. Arkiveret fra originalen 16. august 2016.
  23. ↑ I USA udførte forskere et skelsættende eksperiment. De modtog metallisk brint . _ _
  24. ↑ Fysikere tvivler på dristig rapport om metallisk brint Arkiveret 1. april 2019 på Wayback Machine // Nature  - Nyheder & Kommentar
  25. ↑ Der er grund til at være skeptisk over metallisk brint Arkiveret 20. februar 2017 på Wayback Machine // Forbes 
  26. ↑ Isolator-metal overgang i tæt flydende deuterium | Videnskab
  27. ↑ Under tryk giver brint en afspejling af gigantiske planeters indre | Carnegie Institution for Science . Hentet 20. april 2021. Arkiveret fra originalen 27. november 2020.
  28. ↑ Fysikere har fundet nye antydninger af eksistensen af ​​metallisk brint
  29. ↑ Eksistensen af ​​en anomal form for stof er blevet bekræftet . Hentet 1. februar 2020. Arkiveret fra originalen 31. januar 2020.
  30. ↑ Silvera, Isaac F. Metallic Hydrogen: A Game Changing Rocket Propellant . NIAC FORÅRSSYMPOSIUM (27. marts 2012). — "Rekombination af brintatomer frigiver 216 MJ/kg Brint/oxygenforbrænding i rumfærgen frigiver 10 MJ/kg ... tæthed omkring 12-13 gange". Dato for adgang: 13. maj 2012. Arkiveret fra originalen 7. juni 2013.

Litteratur