Metallinen vety

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 9.9.2020 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 34 muokkausta .

Metallinen vety  on joukko faasitiloja vedystä , joka on erittäin korkeassa paineessa ja on käynyt läpi faasimuutoksen . Metallinen vety on aineen rappeutunut tila, ja sillä voi joidenkin oletusten mukaan olla tiettyjä ominaisuuksia - suprajohtavuus korkeassa lämpötilassa ja korkea faasimuutoslämpö.

Hillard Huntington ja Eugene Wigner ennustivat teoriassa vuonna 1935 .

Tutkimushistoria

Brittitieteilijä John Bernal ehdotti 1930-luvulla, että atomivety, joka koostuu yhdestä protonista ja yhdestä elektronista ja edustaa alkalimetallien täydellistä analogia , voisi olla stabiili korkeissa paineissa [1] . Vuonna 1935 Eugene Wigner ja Hillard Bell Huntington suorittivat vastaavat laskelmat. Bernalin hypoteesi vahvistettiin - laskelmien mukaan molekyylivety siirtyy atomimetallifaasiin noin 250 tuhannen ilmakehän (25 GPa ) paineessa, jolloin tiheys kasvaa merkittävästi [2] . Myöhemmin arviota faasisiirtymän vaatimasta paineesta nostettiin, mutta siirtymäolosuhteiden katsotaan edelleen olevan potentiaalisesti saavutettavissa. Metallisen vedyn ominaisuuksien ennustaminen suoritetaan teoreettisesti. Akateemikko L. F. Vereshchaginin johdolla metallista vetyä saatiin ensimmäistä kertaa maailmassa, raportti siitä julkaistiin vuonna 1975 [3] . Koe toistettiin useita kertoja korkeissa paineissa (304 GPa) ja matalissa lämpötiloissa (jopa 4,2 K) vety sai sähkönjohtavuuden (resistanssi pieneni vähintään miljoona kertaa), kun näytettä kuumennettiin ja painetta alennettiin , vedyllä on samat ominaisuudet. Tästä aiheesta on raportoitu myös vuosina 1996, 2008 ja 2011, kunnes vuonna 2017 professori Isaac Silvera ja hänen kollegansa Ranga Diaz eivät saavuttaneet vakaata näytettä 5 miljoonan ilmakehän paineessa [4] [5] [1] , kuitenkin kammio, jossa näyte säilytettiin, romahti paineen alaisena ja näyte katosi.

Suhde muihin fysiikan alueisiin

Astrofysiikka

Jättiplaneettojen  - Jupiterin, Saturnuksen - ja suurten eksoplaneettojen ytimissä uskotaan olevan suuria määriä metallista vetyä . Gravitaatiopuristuksen vuoksi kaasukerroksen alla tulisi olla metallisen vedyn ydin.

Teoreettiset ominaisuudet

Siirtyminen metallifaasiin

Kun ulkoinen paine nousee kymmeniin GPa:iin, vetyatomien ryhmällä alkaa olla metallisia ominaisuuksia. Vetyytimet ( protonit ) lähestyvät toisiaan paljon lähempänä kuin Bohrin säde , etäisyydelle, joka on verrattavissa elektronien de Broglien aallonpituuteen . Siten elektronin sitoutumisvoima ytimeen muuttuu lokalisoimattomaksi, elektronit sitoutuvat heikosti protoneihin ja muodostavat vapaan elektronikaasun samalla tavalla kuin metalleissa.

Nestemäinen metallinen vety

Metallisen vedyn nestefaasi eroaa kiinteästä faasista pitkän kantaman järjestyksen puuttuessa . Nestemäisen metallisen vedyn olemassaolon hyväksyttävästä alueesta keskustellaan. Toisin kuin helium-4 , joka on nestemäistä alle 4,2  K :n lämpötiloissa ja normaalipaineessa nollapisteen nollapisteenergian vuoksi , tiheästi pakattujen protonien ryhmällä on merkittävä nollapisteenergia. Näin ollen siirtymistä kiteisestä epäjärjestyneeseen faasiin odotetaan vielä korkeammissa paineissa. N. Ashcroftin tutkimus sallii nestemäisen metallisen vedyn alueen noin 400 GPa:n paineessa ja matalissa lämpötiloissa [6] [7] . Muissa teoksissa E. Babaev ehdottaa, että metallinen vety voi olla metallinen superneste [8] [9] .

Suprajohtavuus

Vuonna 1968 Neil Ashcroft ehdotti, että metallinen vety voisi olla suprajohtavaa suhteellisen korkeissa lämpötiloissa [10] .

Tarkemmat laskelmat [11] ( N. A. Kudryashov , A. A. Kutukov, E. A. Mazur, JETP Letters, osa 104, numero 7, 2016, s. 488) osoittivat, että metallisen vedyn kriittinen lämpötila vaiheessa I41/AMD, sama tutkittu [4] Ranga Diaz ja Isaac Silvera 5 miljoonan ilmakehän paineessa antaa suprajohtavan siirtymälämpötilan 215 kelviniä eli −58 celsiusastetta.

Kokeelliset yritykset saada

Kokeilut 1970-luvulla

Akateemikko L. F. Vereshchaginin johdolla metallista vetyä saatiin ensimmäistä kertaa maailmassa, raportti siitä julkaistiin vuonna 1975 [3] . Koe suoritettiin käyttämällä timanttilalasimia. Koe toistettiin useita kertoja korkeissa paineissa (304 GPa) ja matalissa lämpötiloissa (jopa 4,2 K) vety sai sähkönjohtavuuden (resistanssi pieneni vähintään miljoona kertaa), kun näytettä kuumennettiin ja painetta alennettiin , vedyllä on samat ominaisuudet.

Vedyn metallointi iskupuristuksen avulla vuonna 1996

Vuonna 1996 Livermore National Laboratory raportoi, että tutkimus oli luonut edellytykset vetymetalloitumiselle ja tarjonnut ensimmäiset todisteet sen mahdollisesta olemassaolosta [12] . Lyhyeksi ajaksi (noin 1 ms) saavutettiin yli 100 GPa ( atm.) paine, tuhansien kelvinien suuruusluokkaa oleva lämpötila ja noin 600 kg/m 3 aineen tiheys [13] . Koska aikaisemmat kokeet kiinteän vedyn puristamisesta kennossa timanttilalasimilla 250 GPa:iin eivät tuottaneet tuloksia, kokeen tarkoituksena ei ollut saada metallista vetyä, vaan ainoastaan ​​tutkia näytteen johtavuutta paineen alaisena. Kuitenkin saavutettuaan 140 GPa sähkövastus käytännössä hävisi. Paineenalaisen vedyn kaistaväli oli 0,3 eV , mikä osoittautui verrattavissa olevaksi 3000 K lämpöenergiaa vastaavaksi ja joka osoittaa "puolijohde-metalli"-siirtymän.

Tutkimusta vuodesta 1996

Yritykset muuttaa vetyä metalliseen tilaan staattisen puristuksen avulla alhaisissa lämpötiloissa. A. Ruoff ja C. Narayana ( Cornell University , 1998) [14] , P. Louvier ja R. Lethule (2002) lähestyivät peräkkäin Maan keskustassa havaittuja paineita (324-345 GPa), mutta eivät silti havainneet. vaihemuutos.

Kokeilut vuonna 2008

S. Deemyad ja I. Silvera löysivät kokeellisesti faasikaavion sulamiskäyrän teoreettisesti ennustetun maksimin, joka osoittaa vedyn nestemäisen metallifaasin . M. Eremetzin ryhmä ilmoitti silaanin siirtymisestä metalliseen tilaan ja suprajohtavuuden ilmenemisestä [16] , mutta tuloksia ei toistettu [17] [18] .

Kokeilut vuonna 2011

Vuonna 2011 raportoitiin vedyn ja deuteriumin nestemäisen metallifaasin havainnointi staattisessa paineessa 260–300 GPa [19] , mikä herätti jälleen kysymyksiä tiedeyhteisössä [20] .

Kokeilut vuonna 2015

Science -lehdessä julkaistiin 26. kesäkuuta 2015 artikkeli , jossa kuvataan Sandia National Laboratoriesin (USA) tutkijaryhmän ja Rostockin yliopiston (Saksa) ryhmän onnistunutta koetta puristaa nestemäistä deuteriumia ( raskas vety) käyttämällä Z-konetta tilaan, jossa on metallin ominaisuuksia [21] .

Kokeilut vuonna 2016

Heinäkuussa 2016 kerrottiin, että Harvardin yliopiston fyysikot onnistuivat saamaan metallista vetyä laboratoriossa. Ne lämmittivät nestemäistä vetyä laserin lyhyiden välähdysten avulla noin 1900 celsiusasteen lämpötilaan ja alistivat sen 1,1-1,7 megabaarin paineeseen [22] .

Tämän aineen odotetaan olevan metastabiili, eli kun paine poistetaan, se pysyy metallina. Fyysikkojen kokeilu auttaa selittämään, mitä prosesseja voi tapahtua kaasujättiläisten suolistossa. Tutkijat ehdottavat, että tulevaisuudessa metallista vetyä voidaan käyttää rakettipolttoaineena tai suprajohteena, joka pystyy toimimaan huoneenlämpötilassa [23] .

Tiedeyhteisö suhtautui skeptisesti tähän uutiseen [24] ja odotti uudelleenkokeilua [25] .

2018 kokeiluja metallisen deuteriumin kanssa

Elokuussa 2018 tutkijat ilmoittivat havainneensa nestemäisen deuteriumin nopeaa siirtymistä metalliseen muotoon alle 200 K:n lämpötiloissa. Merkittävä yksimielisyys havaittiin kokeellisten tietojen ja teoreettisten ennusteiden välillä, jotka perustuivat simulaatioihin käyttämällä kvantti Monte Carlo -menetelmää , jota pidetään eniten. tähän mennessä tarkka menetelmä. Tämä voisi auttaa tutkijoita ymmärtämään paremmin kaasujättiläisten, kuten Jupiterin, Saturnuksen ja useiden aurinkokunnan ulkopuolisten eksoplaneettojen sisätilat [26] [27] .

Kokeilut vuonna 2020

Tammikuussa 2020 ranskalaiset fyysikot vahvistivat edellytykset metallisen vedyn olemassaololle, kuten heidän kokeensa osoittivat, vedyn siirtyminen metalliseen tilaan tapahtuu 4,18 miljoonan ilmakehän paineessa [28] [29] .

Mahdolliset sovellukset

polttokennoja

Metastabiilit metallisen vedyn yhdisteet ovat lupaavia kompaktina, tehokkaana ja puhtaana polttoaineena. Metallisen vedyn siirtyessä tavanomaiseen molekyylifaasiin vapautuu 20 kertaa enemmän energiaa kuin hapen ja vedyn seoksen palaessa - 216 MJ/kg [30] .

Korkean lämpötilan suprajohteet

Monien teoreettisten mallien mukaan metallivedyllä tulisi olla erittäin korkea kriittinen lämpötila T c , jos tämä oletus vahvistetaan kokeellisesti, niin metallivety suprajohteena löytää käyttöä monilla alueilla.

Taiteessa

Muistiinpanot

  1. ↑ 1 2 Sergei Stishov . Metallisen vedyn käytännön käyttö pitäisi lukea tieteiskirjallisuuden ansioksi
  2. ↑ Wigner, E.; Huntington, HB Vedyn metallisen muuntamisen mahdollisuudesta //  Journal of Chemical Physics. - 1935. - Voi. 3 , ei. 12 . - s. 764 . - doi : 10.1063/1.1749590 .  
  3. ↑ 1 2 Vereshchagin L. F., Yakovlev E. N., Timofejev Yu. A. "Mahdollisuus siirtyä vedyn johtavaan tilaan" UFN 117 183–184 (1975) . Haettu 29. heinäkuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 29. heinäkuuta 2021.
  4. ↑ 1 2 Ranga P. Dias, Isaac F. Silvera. Wigner-Huntingtonin siirtymisen metalliseen vetyyn havainnointi   // Tiede . – 26.1.2017. — P. eaal1579 . — ISSN 1095-9203 0036-8075, 1095-9203 . - doi : 10.1126/science.aal1579 . Arkistoitu alkuperäisestä 15. helmikuuta 2017.
  5. ↑ julkaisussa Geology . Tiedemiehet ovat vihdoin luoneet metallisen vedyn , Geology IN . Arkistoitu alkuperäisestä 30. tammikuuta 2017. Haettu 28. tammikuuta 2017.
  6. ↑ Ashcroft NW Vetynesteet  //  Journal of Physics: Condensed Matter. - 2000. - Voi. 12 , ei. 8A . — P. A129 . - doi : 10.1088/0953-8984/12/8A/314 .
  7. ↑ Bonev SA, et ai. Ensisijaisten periaatteiden laskelmien ehdottama metallisen vedyn kvanttineste   // Luonto . - 2004. - Voi. 431 , nro. 7009 . - s. 669 . - doi : 10.1038/luonto02968 . - arXiv : cond-mat/0410425 .
  8. ↑ Babaev E. , Ashcroft NW Lontoon lain rikkominen ja Onsager-Feynman-kvantisointi monikomponenttisuprajohtimissa  // Nature Physics  . - 2007. - Voi. 3 , ei. 8 . - s. 530 . - doi : 10.1038/nphys646 . - arXiv : 0706.2411 .
  9. ↑ Babaev E., Sudbø A. , Ashcroft NW Suprajohteesta supernesteeseen faasimuutos nestemäisessä metallivetyssä   // Luonto . - 2004. - Voi. 431 , nro. 7009 . — s. 666 . - doi : 10.1038/luonto02910 . - arXiv : cond-mat/0410408 .
  10. ↑ Ashcroft, NW Metallinen vety: korkean lämpötilan suprajohde? (englanniksi)  // Physical Review Letters. - 1968. - Voi. 21 , ei. 26 . - s. 1748 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.21.1748 .
  11. ↑ NA Kudryashov, AA Kutukov, EA Mazur. Metallisen vedyn kriittinen lämpötila 500 GPa:n paineessa  (englanniksi)  // JETP Letters. – 14.12.2016. — Voi. 104 , iss. 7 . - s. 460-465 . - doi : 10.1134/S0021364016190061 . Arkistoitu alkuperäisestä 24. syyskuuta 2017.
  12. ↑ Weir ST, Mitchell AC, Nellis WJ Nestemäisen molekyylivedyn metallointi paineessa 140 GPa (1,4 Mbar  )  // Physical Review Letters. - 2004. - Voi. 76 , nro. 11 . - s. 1860 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.76.1860 .
  13. ↑ Nellis, W. J. Metastable Metallic Hydrogen Glass . Lawrence Livermore Preprint UCRL-JC-142360 OSTI 15005772 (2001). - "metallin pienin sähkönjohtavuus paineissa 140 GPa, 0,6 g/cm3 ja 3000 K".
  14. ↑ Ruoff AL, et ai. Kiinteä vety 342 GPa :ssa : Ei todisteita alkalimetallista   // Luonto . - 1998. - Voi. 393 , no. 6680 . - s. 46 . - doi : 10.1038/29949 .
  15. ↑ Deemyad S., Silvera IF Vedyn sulamislinja korkeissa paineissa  //  Physical Review Letters. - 2008. - Voi. 100 , ei. 15 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.100.155701 . - arXiv : 0803.2321 .
  16. ↑ Eremets M.I. et ai. Suprajohtavuus vetyä hallitsevissa materiaaleissa:  Silaani  // Tiede . - 2008. - Voi. 319 , nro. 5869 . - s. 1506-1509 . - doi : 10.1126/tiede.1153282 .
  17. ↑ Degtyareva O. Siirtymämetallihydridien muodostuminen korkeissa paineissa  //  Solid State Communications. - 2009. - Vol. 149 , nro. 39-40 . - doi : 10.1016/j.ssc.2009.07.022 . - arXiv : 0907.2128v1 .
  18. ↑ Hanfland M., Proctor J., Guillaume CL, et ai. Silaanin korkeapainesynteesi, amorfisointi ja hajoaminen  (englanniksi)  // Physical Review Letters. - 2011. - Vol. 106 , nro. 9 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.106.095503 .
  19. ↑ Eremets MI, Troyan IA Johtava tiheä vety  // Nature Materials  . - 2011. - Ei. 10 . - s. 927-931 . - doi : 10.1038/nmat3175 .
  20. ↑ Nellis WJ, Ruoff A., Silvera IF Onko metallista vetyä valmistettu Diamond Anvil -kennossa? (englanniksi)  // arxiv.org. - 2012. - arXiv : http://arxiv.org/abs/1201.0407 .
  21. ↑ MD Knudson, kansanedustaja Desjarlais, A. Becker, RW Lemke, KR Cochrane, ME Savage, DE Bliss, TR Mattsson, R. Redmer. Suora havainto äkillisestä eristeen ja metallin välisestä siirtymisestä tiheässä nestemäisessä deuteriumissa  (englanniksi)  // Tiede . - 26. kesäkuuta 2015. - Vol. 348 , nro. 6242 . - s. 1455-1460 . - doi : 10.1126/science.aaa7471 .
  22. ↑ Fyysikot ovat saaneet Jupiterin hiukkasen maan päälle . Haettu 2. heinäkuuta 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 16. elokuuta 2016.
  23. ↑ Yhdysvalloissa tutkijat suorittivat maamerkkikokeen. He saivat metallista vetyä . _ _
  24. ↑ Fyysikot epäilevät metallisen vedyn rohkeaa raporttia Arkistoitu 1. huhtikuuta 2019 Wayback Machinessa // Luonto  - Uutiset ja kommentit
  25. ↑ On syytä olla skeptinen metallisen vedyn suhteen Arkistoitu 20. helmikuuta 2017 Wayback Machinessa // Forbes 
  26. ↑ Eriste-metalli-siirtymä tiheässä nestemäisessä deuteriumissa | Tiede
  27. ↑ Paineen alaisena vety heijastaa jättimäisen planeetan sisäosia | Carnegie Institute for Science . Haettu 20. huhtikuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 27. marraskuuta 2020.
  28. ↑ Fyysikot ovat löytäneet uusia vihjeitä metallisen vedyn olemassaolosta
  29. ↑ Anomaalisen aineen muodon olemassaolo on vahvistettu . Haettu 1. helmikuuta 2020. Arkistoitu alkuperäisestä 31. tammikuuta 2020.
  30. ↑ Silvera, Isaac F. Metallinen vety: Peliä muuttava raketin ponneaine . NIAC SPRING SYMPOSIUM (27. maaliskuuta 2012). — "Vetyatomien rekombinaatio vapauttaa 216 MJ/kg vety/happi palaminen sukkulassa vapauttaa 10 MJ/kg ... tiheys noin 12-13-kertaisesti". Käyttöpäivä: 13. toukokuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 7. kesäkuuta 2013.

Kirjallisuus