Metalliskt väte

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 9 september 2020; kontroller kräver 34 redigeringar .

Metalliskt väte  är en uppsättning fastillstånd av väte , som har extremt högt tryck och har genomgått en fasövergång . Metalliskt väte är ett degenererat tillstånd av materia och kan, enligt vissa antaganden, ha vissa specifika egenskaper - supraledning vid hög temperatur och hög specifik fasövergångsvärme.

Förutspådde teoretiskt 1935 av Hillard Huntington och Eugene Wigner .

Forskningshistoria

På 1930-talet föreslog den brittiska forskaren John Bernal att atomärt väte, bestående av en proton och en elektron och representerar en komplett analog av alkalimetaller , kunde vara stabil vid höga tryck [1] . År 1935 utförde Eugene Wigner och Hillard Bell Huntington motsvarande beräkningar. Bernals hypotes bekräftades - enligt beräkningarna passerar molekylärt väte in i den atomära metallfasen vid ett tryck på cirka 250 tusen atmosfärer (25 GPa ) med en signifikant ökning av densiteten [2] . Därefter ökades uppskattningen av det tryck som krävs för fasövergången, men övergångsförhållandena anses fortfarande vara möjliga att uppnå. Förutsägelsen av egenskaperna hos metalliskt väte utförs teoretiskt. Under ledning av akademikern L.F. Vereshchagin erhölls metalliskt väte för första gången i världen, en rapport om detta publicerades 1975 [3] . Experimentet upprepades många gånger, vid höga tryck (vid 304 GPa) och låga temperaturer (upp till 4,2 K), fick väte elektrisk ledningsförmåga (motståndet minskade med minst 1 miljon gånger), när provet värmdes upp och trycket sänktes väte antog samma egenskaper. Det fanns också rapporter om detta ämne 1996, 2008 och 2011, tills professor Isaac Silvera och hans kollega Ranga Diaz 2017 inte uppnådde ett stabilt prov vid ett tryck på 5 miljoner atmosfärer [4] [5] [1] , emellertid kollapsade kammaren där provet förvarades under tryck och provet gick förlorat.

Samband med andra fysikområden

Astrofysik

Man tror att stora mängder metalliskt väte finns i kärnorna på jätteplaneterna  - Jupiter, Saturnus - och stora exoplaneter . På grund av gravitationskompression bör en kärna av metalliskt väte finnas under gasskiktet.

Teoretiska egenskaper

Övergång till metallfasen

När det yttre trycket ökar till tiotals GPa, börjar gruppen av väteatomer att uppvisa metalliska egenskaper. Vätekärnor ( protoner ) närmar sig varandra mycket närmare än Bohr-radien , till ett avstånd som är jämförbart med de Broglie-våglängden för elektroner. Därmed blir elektronens bindningskraft med kärnan icke-lokaliserad, elektronerna är svagt bundna till protonerna och bildar en fri elektrongas på samma sätt som i metaller.

Flytande metalliskt väte

Den flytande fasen av metalliskt väte skiljer sig från den fasta fasen i frånvaro av långdistansordning . Det pågår en diskussion om det acceptabla intervallet för förekomsten av flytande metalliskt väte. Till skillnad från helium-4 , som är flytande vid temperaturer under 4,2  K och normalt tryck på grund av nollpunktsnollpunktsenergi , har en samling tätt packade protoner betydande nollpunktsenergi. Följaktligen förväntas övergången från en kristallin till en oordnad fas vid ännu högre tryck. En studie av N. Ashcroft medger en region av flytande metalliskt väte vid ett tryck på cirka 400 GPa och låga temperaturer [6] [7] . I andra arbeten föreslår E. Babaev att metalliskt väte kan vara en metallisk superfluid vätska [8] [9] .

Superledning

1968 föreslog Neil Ashcroft att metalliskt väte kunde vara supraledande vid relativt höga temperaturer [10] .

Mer exakta beräkningar [11] ( N. A. Kudryashov , A. A. Kutukov, E. A. Mazur, JETP Letters, vol. 104, nummer 7, 2016, s. 488) visade att den kritiska temperaturen för metalliskt väte i fas I41/AMD, samma som studerades [4] av Ranga Diaz och Isaac Silvera vid ett tryck på 5 miljoner atmosfärer, ger en supraledande övergångstemperatur på 215 kelvin , dvs −58 grader Celsius.

Experimentella försök att få

Experiment på 1970 -talet

Under ledning av akademikern L.F. Vereshchagin erhölls metalliskt väte för första gången i världen, en rapport om detta publicerades 1975 [3] . Experimentet utfördes med hjälp av diamantstäd. Experimentet upprepades många gånger, vid höga tryck (vid 304 GPa) och låga temperaturer (upp till 4,2 K), fick väte elektrisk ledningsförmåga (motståndet minskade med minst 1 miljon gånger), när provet värmdes upp och trycket sänktes väte antog samma egenskaper.

Metallisering av väte genom stötkompression 1996

År 1996 rapporterade Livermore National Laboratory att forskning hade skapat förutsättningar för vätemetallisering och gav det första beviset på dess möjliga existens [12] . Under en kort tid (cirka 1 ms) nåddes ett tryck på mer än 100 GPa (atm.), en temperatur i storleksordningen tusentals kelviner och en ämnestäthet på ca 600 kg/m 3 [13] . Eftersom tidigare experiment med att komprimera fast väte i en cell med diamantstäd till 250 GPa inte gav resultat, var syftet med experimentet inte att erhålla metalliskt väte, utan endast att studera provets konduktivitet under tryck. Men när det nådde 140 GPa försvann det elektriska motståndet praktiskt taget. Bandgapet för väte under tryck var 0,3 eV , vilket visade sig vara jämförbart med den termiska energin motsvarande 3000 K, och som indikerar en "halvledar-metall"-övergång.

Forskning sedan 1996

Försöken fortsatte att omvandla väte till ett metalliskt tillstånd genom statisk kompression vid låga temperaturer. A. Ruoff och C. Narayana ( Cornell University , 1998) [14] , P. Louvier och R. Lethule (2002) närmade sig successivt de tryck som observerades i jordens centrum (324-345 GPa), men observerade fortfarande inte en fasövergång.

Experiment 2008

Det teoretiskt förutspådda maximum för smältkurvan på fasdiagrammet, som indikerar den flytande metallfasen av väte, upptäcktes experimentellt av S. Deemyad och I. Silvera [15] . M. Eremetz grupp tillkännagav övergången av silan till det metalliska tillståndet och manifestationen av supraledning [16] , men resultaten upprepades inte [17] [18] .

Experiment 2011

2011 rapporterades observationen av en flytande metallisk fas av väte och deuterium vid ett statiskt tryck på 260–300 GPa [19] , vilket återigen väckte frågor i det vetenskapliga samfundet [20] .

Experiment 2015

Den 26 juni 2015 publicerades en artikel i tidskriften Science , som beskriver ett framgångsrikt experiment av en grupp forskare från Sandia National Laboratories (USA) tillsammans med en grupp från University of Rostock (Tyskland) för att komprimera flytande deuterium ( tungt väte) med hjälp av Z-maskinen till ett tillstånd som uppvisar egenskaperna hos en metall [21] .

Experiment 2016

I juli 2016 rapporterades det att fysiker från Harvard University lyckades få metalliskt väte i laboratoriet. De värmde upp flytande väte med hjälp av korta blixtar från en laser till en temperatur på cirka 1900 grader Celsius och utsatte det för ett tryck på 1,1-1,7 megabar [22] .

Det förväntas att detta ämne kommer att vara metastabilt, det vill säga när trycket tas bort kommer det att förbli en metall. Fysikernas experiment hjälper till att förklara vilka processer som kan inträffa i gasjättarnas tarmar. Forskare föreslår att metalliskt väte i framtiden kan användas som ett raketbränsle eller som en supraledare som kan existera vid rumstemperatur [23] .

Det vetenskapliga samfundet var skeptiskt till denna nyhet [24] och förväntade sig ett nytt experiment [25] .

2018 experiment med metalliskt deuterium

I augusti 2018 tillkännagav forskare observationen av en snabb övergång av flytande deuterium till en metallisk form vid temperaturer under 200 K. Anmärkningsvärd överensstämmelse hittades mellan experimentella data och teoretiska förutsägelser baserade på simuleringar med kvantmetoden Monte Carlo , som anses vara den mest korrekt metod hittills. Detta skulle kunna hjälpa forskare att bättre förstå interiören av gasjättar som Jupiter, Saturnus och en mängd exoplaneter utanför solsystemet [26] [27] .

Experiment 2020

I januari 2020 bekräftade franska fysiker villkoren för förekomsten av metalliskt väte, som deras experiment visade, sker övergången av väte till det metalliska tillståndet vid ett tryck på 4,18 miljoner atmosfärer [28] [29] .

Potentiella applikationer

bränsleceller

Metastabila föreningar av metalliskt väte är lovande som ett kompakt, effektivt och rent bränsle. Vid övergången av metalliskt väte till den vanliga molekylära fasen frigörs 20 gånger mer energi än vid förbränning av en blandning av syre och väte - 216 MJ/kg [30] .

Högtemperatursupraledare

Enligt många teoretiska modeller bör metalliskt väte ha en mycket hög kritisk temperatur T c , om detta antagande bekräftas experimentellt kommer metalliskt väte som supraledare att finna tillämpning inom många områden.

I konsten

Anteckningar

  1. ↑ 1 2 Sergey Stishov . Den praktiska användningen av metalliskt väte bör tillskrivas science fiction
  2. ↑ Wigner, E.; Huntington, HB Om möjligheten till en metallisk modifiering av väte //  Journal of Chemical Physics. - 1935. - Vol. 3 , nr. 12 . — S. 764 . - doi : 10.1063/1.1749590 .  
  3. ↑ 1 2 Vereshchagin L. F., Yakovlev E. N., Timofeev Yu. A. "Möjlighet för övergång av väte till det ledande tillståndet" UFN 117 183–184 (1975) . Hämtad 29 juli 2021. Arkiverad från originalet 29 juli 2021.
  4. ↑ 1 2 Ranga P. Dias, Isaac F. Silvera. Observation av Wigner-Huntington-övergången till metalliskt väte   // Science . — 2017-01-26. — P. eaal1579 . — ISSN 1095-9203 0036-8075, 1095-9203 . - doi : 10.1126/science.aal1579 . Arkiverad från originalet den 15 februari 2017.
  5. ↑ I, Geologi . Forskare har äntligen skapat metalliskt väte , geologi IN . Arkiverad från originalet den 30 januari 2017. Hämtad 28 januari 2017.
  6. ↑ Ashcroft NW Vätskevätskorna  //  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 kvantvätska av metalliskt väte som föreslås av första principberäkningar   // Nature . - 2004. - Vol. 431 , nr. 7009 . — S. 669 . - doi : 10.1038/nature02968 . - arXiv : cond-mat/0410425 .
  8. ↑ Babaev E. , Ashcroft NW Brott mot Londonlagen och Onsager–Feynman-kvantisering i multikomponentsuperledare  // Nature Physics  . - 2007. - Vol. 3 , nr. 8 . — S. 530 . - doi : 10.1038/nphys646 . - arXiv : 0706.2411 .
  9. ↑ Babaev E., Sudbø A., Ashcroft NW En supraledare till superfluid fasövergång i flytande metalliskt väte   // Nature . - 2004. - Vol. 431 , nr. 7009 . — S. 666 . - doi : 10.1038/nature02910 . - arXiv : cond-mat/0410408 .
  10. ↑ Ashcroft, NW Metallic Hydrogen: A High-Temperature Superconductor? (engelska)  // Physical Review Letters. - 1968. - Vol. 21 , nr. 26 . - S. 1748 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.21.1748 .
  11. ↑ NA Kudryashov, AA Kutukov, EA Mazur. Kritisk temperatur för metalliskt väte vid ett tryck på 500 GPa  (engelska)  // JETP Letters. — 2016-12-14. — Vol. 104 , utg. 7 . - S. 460-465 . - doi : 10.1134/S0021364016190061 . Arkiverad från originalet den 24 september 2017.
  12. ↑ Weir ST, Mitchell AC, Nellis WJ Metallisering av flytande molekylärt väte vid 140 GPa (1,4 Mbar  )  // Physical Review Letters. - 2004. - Vol. 76 , nr. 11 . - S. 1860 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.76.1860 .
  13. ↑ Nellis, W. J. Metastabilt metalliskt väteglas . Lawrence Livermore Preprint UCRL-JC-142360 OSTI 15005772 (2001). - "minsta elektrisk ledningsförmåga hos en metall vid 140 GPa, 0,6 g/cm3 och 3000 K".
  14. ↑ Ruoff AL, et al. Fast väte vid 342 GPa : Inga bevis för en alkalimetall   // Natur . - 1998. - Vol. 393 , nr. 6680 . - S. 46 . - doi : 10.1038/29949 .
  15. ↑ Deemyad S., Silvera IF Smältlinjen för väte vid höga tryck  //  Physical Review Letters. - 2008. - Vol. 100 , nej. 15 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.100.155701 . - arXiv : 0803.2321 .
  16. ↑ Eremets M.I., et al. Supraledning i vätedominerande material:  Silan  // Science . - 2008. - Vol. 319 , nr. 5869 . - P. 1506-1509 . - doi : 10.1126/science.1153282 .
  17. ↑ Degtyareva O. Bildning av övergångsmetallhydrider vid höga tryck  //  Solid State Communications. - 2009. - Vol. 149 , nr. 39-40 . - doi : 10.1016/j.ssc.2009.07.022 . - arXiv : 0907.2128v1 .
  18. ↑ Hanfland M., Proctor J., Guillaume CL, et al. Högtryckssyntes, amorfisering och nedbrytning av silan  (engelska)  // Physical Review Letters. - 2011. - Vol. 106 , nr. 9 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.106.095503 .
  19. ↑ Eremets MI, Troyan IA Konduktivt tätt väte  // Nature Materials  . - 2011. - Nej . 10 . - P. 927-931 . - doi : 10.1038/nmat3175 .
  20. ↑ Nellis WJ, Ruoff A., Silvera IF Har metalliskt väte gjorts i en diamantstädcell? (engelska)  // 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. Direkt observation av en abrupt isolator-till-metall-övergång i tätt flytande deuterium  (engelska)  // Science . - 26 juni 2015. - Vol. 348 , nr. 6242 . - P. 1455-1460 . - doi : 10.1126/science.aaa7471 .
  22. ↑ Fysiker har fått en partikel av Jupiter på jorden . Hämtad 2 juli 2016. Arkiverad från originalet 16 augusti 2016.
  23. ↑ I USA genomförde forskare ett milstolpeexperiment. De fick metalliskt väte . _ _
  24. ↑ Fysiker tvivlar på en djärv rapport om metalliskt väte Arkiverad 1 april 2019 på Wayback Machine // Nature  - Nyheter & Kommentar
  25. ↑ Det finns anledning att vara skeptisk till metalliskt väte Arkiverad 20 februari 2017 på Wayback Machine // Forbes 
  26. ↑ Isolator-metallövergång i tätt flytande deuterium | Vetenskap
  27. ↑ Under tryck erbjuder väte en reflektion av gigantiska planetinteriörer | Carnegie Institute for Science . Hämtad 20 april 2021. Arkiverad från originalet 27 november 2020.
  28. ↑ Fysiker har hittat nya antydningar om förekomsten av metalliskt väte
  29. ↑ Existensen av en anomal form av materia har bekräftats . Hämtad 1 februari 2020. Arkiverad från originalet 31 januari 2020.
  30. ↑ Silvera, Isaac F. Metalliskt väte: En lek som förändras raketdrivmedel . NIAC SPRING SYMPOSIUM (27 mars 2012). — "Rekombination av väteatomer frigör 216 MJ/kg Väte/syreförbränning i skytteln släpper 10 MJ/kg ... densitet ca 12-13 gånger". Tillträdesdatum: 13 maj 2012. Arkiverad från originalet den 7 juni 2013.

Litteratur