Fizičari pretvaraju vodik u metal

Pokus pod visokim tlakom mogao je proizvesti atomsko stanje elementa po prvi put

Pri ekstremno visokom tlaku između dva dijamanta, vodik prelazi iz molekularnog u atomsko stanje. © R. Dias i IF Silvera
čitati naglas

Puknuo je gral fizike visokog pritiska? Po prvi put, istraživači su mogli uspjeti pretvoriti vodik u atomski metal. Više od 450 gigapaskalnog pritiska i ultra-hladnih temperatura dovodi normalno molekulski element u ovo stanje egzotične materije. Ako se to potvrdi, eksperimentalni dokaz metalno-atomskog vodika konačno bi bio uspješan najmanje 80 godina nakon teorijskog predviđanja.

Iako je vodik na vrhu alkalnih metala u periodičnoj tablici, u normalnim uvjetima nije metalni. Umjesto toga, to je dijatomska molekula - čak i kao tekućina ili kada smrzne na minus 259 stupnjeva. Međutim, 1935. godine dvojica fizičara Eugene Wigner i Hilard Huntington postulirali su da bi taj element mogao postati atomska metalna kruta tvar pod ekstremnim pritiskom - na primjer, unutar plinskog diva Jupitera.

Metastabilni, superprovodni i izuzetno energični

U ovakvom egzotičnom stanju metala, prema prognozi, vodik bi mogao biti superprovodljiv i tako provoditi električnu energiju gotovo bez otpora. Ali još uzbudljivije: "Prema predviđanju, metalni vodik mogao bi biti metastaziran", objašnjava Isaac Silvera sa Sveučilišta Harvard u Cambridgeu. "To znači da bi mogao i dalje biti metalik čak i nakon što je ekstremni pritisak uklonjen - baš kao što dijamant zadržava svoju strukturu."

Ako se to potvrdi, tada se metalni vodik može koristiti kao superprovodnik na sobnoj temperaturi - to bi bila revolucija za pogone ili upravljanje električnom energijom i podacima. Budući da puštanjem metala vodika u molekularno stanje oslobađa ogromne količine energije, mogao bi se koristiti i za nove raketne pogonske sustave.

Prema Silferi, takav bi vodikov pogon imao više od tri puta više specifičnog impulsa od klasičnih goriva. "To bi nam omogućilo lansiranje raketa s jednom etapom u orbitu i prenošenje više korisnog tereta", kaže Silvera. "Također bi bilo mnogo lakše istražiti vanjske planete." Prikaz

Dobijeni prekursor: Veza između atoma vodika je oslabljena pritiskom. Dalladay-Simpson i Gregoryanz

"Sveti Gral fizike visokog pritiska"

Veliki ulov: do sada nijedna laboratorija na svijetu nije uspjela proizvesti metalni vodik. "Ovo je sveti gral fizike visokog pritiska", kaže Silvera. Unatoč brojnom napretku, bilo je čak i nejasno pod kojim se pritiskom odvija prijelaz iz molekularnog u atomsko stanje. Prema teorijama, to bi se moglo dogoditi na 400 do 500 gigapaskala. Za usporedbu, pritisci od oko 25 gigapaskala dosežu se u donjem plaštu.

Početkom 2016., međutim, došlo je do prvog uspjeha: istraživači su prvi put uspjeli proizvesti prekursor metalnog vodika u laboratoriju. Otprilike 320 gigapaskalnog tlaka, veze unutar molekula vodika počele su se odvajati i labaviti, mjereno Ramanovom spektroskopijom.

Ultra hladan vodik pod pritiskom

Konačni iskorak sada bi mogao naslijediti Silvera i njegovog kolegu Ranga Diasa. Za eksperiment visokog pritiska koristili su posebno modificirane dijamante kao preše. Budući da čak i ovaj dragocjeni kamen postaje krhak i porozan pod pritiskom do 500 gigapaskala, on prekriva dijamantsku površinu tankim slojem aluminija i izbjegava ga dok postupak prešanja za korištenje visokoenergetskih laserskih zraka.

U eksperimentu je uzorak vodika ohlađen na minus 258 stupnjeva i izložen sve većem pritisku između dijamantnih uboda. Na približno 335 gigapaskala, uzorak je i dalje bio transparentan, kako navode istraživači. Kako je tlak i dalje porastao, vodik je crnio, što ukazuje da je postignut prethodnik metalnog stanja.

Prvo prozirni i neprovodni, zatim crni i poluvodički, a na kraju metalni sjaj i superprovodnik: fazni prijelaz vodika. Di R. Dias i IF Silvera

Sjajni metal

Na oko 495 gigapaskala došlo je do još jedne promjene: uzorak je promijenio boju iz crne u visoku reflektivnost, što je karakteristično za metal. "To je bilo zaista uzbudljivo", kaže Silvera. "Kad me Dias nazvao i rekao:" Gledatelji proba ", potrčao sam dolje i vidio da je doista metalni vodik."

Mjerenja, između ostalog, Ramanovom spektroskopijom, sugeriraju da je vodik u uzorku atomski. Kako istraživači navode, element u metalnom stanju je oko 15 puta gušći od kristalne molekularne varijante. Raspodjela elektrona je također odgovarala distribuciji atomskog metala. Je li u ovom stanju vodik čvrst ili tekućina nije jasno utvrđeno.

"Temeljno postignuće"

Istraživači priznaju da je potrebno slijediti daljnja mjerenja - kako bi se utvrdio točan pritisak na kojem se tranzicija odvijala. Ali ako se potvrdi njezin rezultat, bilo bi prvi put da je bilo moguće rekonstruirati prijelaz na atomski metalni vodik koji su Wigner i Huntington prije 80 godina predvidjeli u laboratoriju.

"Ovo je temeljno i transformativno dostignuće", kaže Silvera. "Ovo je prvi uzorak metalnog vodika na zemlji. Vidimo nešto što se ovdje nikada ranije nije dogodilo. "Ovaj uspjeh sada bi mogao stvoriti preduvjet za daljnje istraživanje metalnog vodika i njegovih svojstava. (Znanost, 2017; doi: 10.1126 / science.aal1579)

(Sveučilište Harvard, 30.01.2017. - NPO)