Imagine cu nicovalele de diamant comprimând o probă de hidrogen molecular. La presiune mare, hidrogenul devine atomic, așa cum se arată în dreapta. Sursa: Dias & Silvera, 2017
În 1935, oamenii de știință Eugene Wigner și Bell Huntington au prezis posibilitatea transformării hidrogenului într-o stare metalică sub influența unei presiuni enorme - 250 de mii de atmosfere. Puțin mai târziu, acest punct de vedere a fost revizuit, experții au mărit estimarea presiunii necesare pentru o tranziție de fază. În tot acest timp, condițiile de tranziție au fost considerate realizabile, iar oamenii de știință au încercat să „ia bara” necesară pentru tranziția hidrogenului la o nouă fază. Hidrogenul metalic a fost încercat pentru prima dată în anii 1970. Au fost făcute încercări repetate în 1996, 2008 și 2011. S-a raportat anterior că în 1996, oamenii de știință din Germania au reușit să transforme hidrogenul într-o stare metalică pentru o fracțiune de microsecundă, deși nu toată lumea este de acord cu acest lucru.
În ceea ce privește presiunea necesară pentru a produce hidrogen metalic, odată cu dezvoltarea mecanicii cuantice și a fizicii în general, a devenit clar că presiunea ar trebui să fie de aproximativ 20 de ori mai mare decât se credea anterior - nu 25 GPa, ci 400 sau chiar 500 GPa. Se crede că cantități mari de hidrogen metalic sunt prezente în nucleele planetelor gigantice - Jupiter, Saturn și marile planete extrasolare. Datorită compresiei gravitaționale, sub stratul de gaz ar trebui să existe un miez de hidrogen metalic. Este clar că pentru a obține o presiune gigantică sunt necesare tehnologii și metode speciale. Rezultatul dorit a fost atins prin utilizarea a două nicovale diamantate.
Rezistența nicovalei a fost sporită de un strat de oxid de aluminiu, care s-a dovedit impenetrabil pentru atomii de hidrogen. O probă de hidrogen a fost comprimată între capetele ascuțite ale două nicovale de diamant și la o presiune de 495 GPa, oamenii de știință au realizat tranziția probei în faza metalică.
Sursa: Dias & Silvera, 2017
În orice caz, proba sa întunecat mai întâi și apoi a început să reflecte lumina. La presiuni relativ scăzute, proba era opac și nu conducea curentul. Experimentul, condus de Isaac Silvera și Ranga Dias, a fost repetat. Oamenii de știință au reușit pentru prima dată să realizeze tranziția hidrogenului în faza metalică la jumătatea anului 2016. Dar rezultatele experimentului au avut nevoie de confirmare și experimente repetate. Deoarece rezultatele experimentului inițial au fost confirmate, acestea pot fi considerate corecte.
Oamenii de știință lucrează la rezultatul actual de câțiva ani. Silver și Diaz au avut nevoie de trei ani doar pentru a atinge presiunea la care hidrogenul se descompune în atomi individuali. Presiunea în cauză este de 380 GPa.
După aceasta, creșterea presiunii a implicat necesitatea întăririi rezistenței nicovalelor de diamant utilizate în experiment. Pentru a face acest lucru, au început să pulverizeze o peliculă foarte subțire de oxid de aluminiu. Fără a se întări, diamantele, care sunt cele mai dure minerale de pe Pământ, încep să se fractureze atunci când presiunea crește peste 400 GPa.
Oamenii de știință au depus multă muncă studiind diamantele. Ar putea exista mai multe motive pentru distrugere - de la defecte ale structurii cristaline la influența hidrogenului însuși, comprimat la o densitate uriașă. Pentru a rezolva prima problemă, specialiștii au examinat cu atenție structurile cristaline la microscop cu mărire mare. „Când ne-am uitat la diamant la microscop, am descoperit defecte care fac acest mineral vulnerabil la factorii externi”, a spus Silvera. A doua problemă a fost rezolvată prin pulverizare, care previne scurgerea atomilor și moleculelor de hidrogen.
Este încă greu de spus ce formă de metal au primit britanicii - solid sau lichid. Ei înșiși le este greu de spus, deși cred că hidrogenul a trecut în faza metalică lichidă, deoarece acest lucru este prezis de calcule. Ceea ce sunt siguri este că proba de hidrogen, după comprimare, a devenit de 15 ori mai densă decât înainte de începerea procedurii. Temperatura hidrogenului, care a fost plasat într-o nicovală de diamant, a fost de 15K. După ce elementul a trecut în faza metalică, a fost încălzit la 83 K și și-a păstrat proprietățile metalice. Calculele arată că hidrogenul metalic poate fi metastabil, adică își păstrează proprietățile chiar și după ce factorii externi care au dus la trecerea elementului în faza metalică sunt slăbiți.
De ce are nevoie o persoană de hidrogen metalic? Se crede că în această stare prezintă proprietățile unui supraconductor la temperatură înaltă. În plus, compușii metastabili de hidrogen pot fi utilizați ca combustibil compact, eficient și curat pentru rachete. Astfel, atunci când hidrogenul metalic trece în faza moleculară, se eliberează de aproximativ 20 de ori mai multă energie decât la arderea unui kilogram dintr-un amestec de oxigen și hidrogen - 216 MJ/kg.
„Avem nevoie de o cantitate imensă de energie pentru a produce hidrogen metalic. Și dacă transformi hidrogenul metalic atomic înapoi într-o stare moleculară, toată acea energie este eliberată, astfel încât să putem crea cel mai puternic combustibil pentru rachete din lume, care va revoluționa știința rachetelor”, au spus autorii studiului. În opinia lor, noul combustibil, dacă este folosit, va face mai ușor să ajungeți la alte planete. Timpul petrecut călătorind la ei va fi mult mai mic decât în prezent, folosind tehnologii moderne.
HIDROGEN METAL
HIDROGEN METAL
Un set de faze de hidrogen de înaltă presiune cu proprietăți metalice. proprietăți. Posibilitatea de tranziție a hidrogenului în metal. faza a fost considerată pentru prima dată teoretic de Yu. Wigner și H. B. Huntington în 1935 [I]-^B în continuare, pe măsură ce metodele de teoria electronică a metalelor dezvoltate, nivelul de metal. fazele de hidrogen au fost studiate teoretic. În fig. 1, obţinută prin sintetizarea rezultatelor acestor calcule cu experimente. și teoretic date privind nivelul de stare a hidrogenului molecular. La atm. presiune și temperaturi scăzute, hidrogenul există sub formă de dielectric. cristal molecular, odată cu creșterea presiunii are loc o tranziție la cristalin. metalic stat. În același timp, în funcție de temperatură, sunt posibile 3 faze de M. v. La temperatura T= 0 K și presiune r = Metalizarea 300-100 GPa este însoțită de o restructurare a cristalinului. structura, disocierea moleculelor de H 2 și metal. cristalul devine atomic. La T> Metalizarea 10 K este posibilă menținând în același timp structura cristalului molecular (linia punctată; metalizarea de acest tip a fost observată anterior în iod). Odată cu o creștere suplimentară a presiunii sau a temperaturii, apare metalul. faza si se formeaza un atomic lichid M. c..
Orez. I. Diagrama de stare a hidrogenului.
Hidrogen în metal faza este conținută în intestinele planetelor gigantice Jupiter și Saturn. Conform modernului Conform modelelor, pe Jupiter hidrogenul în faza moleculară este prezent doar la adâncimi de ordinul a 0,22 razele planetei. La adâncimi mai mari, hidrogenul amestecat cu He formează metal lichid. faza (Fig. 2,).
S-a raportat că M. v. în experimente privind compresia șocului și compresia în nicovalele de diamant, dar experimente de încredere. date despre presiunea de tranziție și nivelul metalului. Nu există încă nicio fază.
Importanța obținerii M.v. datorită faptului că trebuie să combine o serie de proprietăți unice. În primul rând, datorită masei mici de atomi, La revedere Ca o consecință a acestui fapt, temperatura tranziției supraconductoare T sîn fază solidă, la o presiune de ordinul metalizării, presiunea ar trebui să depășească 200 K, ceea ce este semnificativ mai mare decât toate cele cunoscute. supraconductori, deoarece..
În al doilea rând, M. v. poate exista sub formă lichid cuantic. Un număr mic de atomi de hidrogen duce la o amplitudine mare oscilații zero atomi, datorită cărora chiar și cu T= 0 K poate să nu apară. Spre deosebire de lichidele cuantice cunoscute (3 He și 4 He), topirea cristalinului M.v. apare atunci când presiunea crește. Date calculate fiabile privind structura și curba de topire a materialelor metalice. Nu există încă nicio fază. După anumite calcule, atunci când topirea are loc la T= 0 K, de ordinul presiunii necesare pentru metalizare, adică în acest caz nu poate exista fază solidă H.
Când presiunea este îndepărtată și trecerea de retur de la metal. faza, ~290 MJ/kg este eliberată în faza dielectrică, care este mai multe. ori mai mare decât cea produsă de orice tip cunoscut de combustibil. Perspective pentru practică folosirea lui M. v. ca acumulator de energie depind de ce condiții sunt necesare pentru implementarea metastabilei metalice. fază cu îndepărtarea parțială a externului. presiunea și ce este. În plus față de protium 1 H, metalizarea poate apărea în cristale de deuteriu 2 H și tritiu 3 H, cu singura diferență că proprietățile cuantice ale acestor cristale sunt mai puțin pronunțate și viteza de tranziție supraconductoare. T sîn ele de mai jos.
Lit.: 1) Wigne E., Hintington H. V., Despre posibilitatea unei modificări metalice a hidrogenului, „J. Chem. Phys.”, 1935, v. 3, p. 746; 2) Stevenson D. J., Interiors of giant planets, „Ann. Rev. Earth Planet. Sci.”, 1982, v. 10, p. 257; 3) Kagan Yu., Pushkarev V., Kholas A., Ecuația de stare a fazei metalice a hidrogenului, „SHETF”, 1977, v. 73, p. 967; 4) Zharkov V.N., Structura internă a Pământului și a planetelor, ed. a II-a, M., 1983, cap. 10; 5) Grigoriev F.V. și colab., Determinarea experimentală a compresibilității hidrogenului la densități de 0,5+ 2 g/cm 3, „JeTP Letters”, 1972, v. 16, p. 286; 6) Ross M., Materia în condiții extreme de temperatură și presiune, „Repts Progr. Phys.”, 1985, v. 48, p. 1; 7) Min B. I., Jansen H. J. F., Freeman A., Proprietăți structurale ale supraconductivității și magnetismului hidrogenului metalic, „Phys. Rev. B”, 1984, V. 30, nr. 9, p. 5076. V.V.Avilov.
Enciclopedie fizică. În 5 volume. - M.: Enciclopedia Sovietică. Redactor-șef A. M. Prohorov. 1988 .
Vedeți ce este „HIDROGEN METALIC” în alte dicționare:
Acest articol conține o traducere incompletă din engleză. Puteți ajuta proiectul traducându-l până la capăt... Wikipedia
A; m. Element chimic (H), un gaz ușor, incolor și inodor care, în combinație cu oxigenul, formează apă. ◁ Hidrogen, oh, oh. În conexiunile date. În bacteriile în suspensie. Bombă B (o bombă cu o putere distructivă enormă, a cărei acțiune explozivă se bazează pe ... ... Dicţionar enciclopedic
Stare solidă de agregare a hidrogenului cu un punct de topire de -259,2 °C (14,16 K), densitate 0,08667 g/cm³ (la -262 °C). Masă albă asemănătoare zăpezii, cristale din sistem hexagonal, grup spațial P6/mmc, parametrii celulei a = 0,378... ... Wikipedia
Magnesium metallicum, Magnesium metallicum- Element chimic al grupei a 2-a a sistemului periodic al lui Mendeleev. Se găsește în natură sub formă de magnezit, dolomit, carnalit, bischofit, olivină și kainită. Metalul argintiu nu se oxidează la temperaturi obișnuite în aer uscat, cu apă rece... ... Manual de homeopatie
Acest termen are alte semnificații, vezi Jupiter (sensuri). Jupiter... Wikipedia
Imagine cu nicovalele de diamant comprimând o probă de hidrogen molecular. La presiune mare, hidrogenul devine atomic, așa cum se arată în dreapta. Sursa: Dias & Silvera, 2017
În 1935, oamenii de știință Eugene Wigner și Bell Huntington au prezis posibilitatea transformării hidrogenului într-o stare metalică sub influența unei presiuni enorme - 250 de mii de atmosfere. Puțin mai târziu, acest punct de vedere a fost revizuit, experții au mărit estimarea presiunii necesare pentru o tranziție de fază. În tot acest timp, condițiile de tranziție au fost considerate realizabile, iar oamenii de știință au încercat să „ia bara” necesară pentru tranziția hidrogenului la o nouă fază. Hidrogenul metalic a fost încercat pentru prima dată în anii 1970. Au fost făcute încercări repetate în 1996, 2008 și 2011. S-a raportat anterior că în 1996, oamenii de știință din Germania au reușit să transforme hidrogenul într-o stare metalică pentru o fracțiune de microsecundă, deși nu toată lumea este de acord cu acest lucru.
În ceea ce privește presiunea necesară pentru a produce hidrogen metalic, odată cu dezvoltarea mecanicii cuantice și a fizicii în general, a devenit clar că presiunea ar trebui să fie de aproximativ 20 de ori mai mare decât se credea anterior - nu 25 GPa, ci 400 sau chiar 500 GPa. Se crede că cantități mari de hidrogen metalic sunt prezente în nucleele planetelor gigantice - Jupiter, Saturn și marile planete extrasolare. Datorită compresiei gravitaționale, sub stratul de gaz ar trebui să existe un miez de hidrogen metalic. Este clar că pentru a obține o presiune gigantică sunt necesare tehnologii și metode speciale. Rezultatul dorit a fost atins prin utilizarea a două nicovale diamantate.
Rezistența nicovalei a fost sporită de un strat de oxid de aluminiu, care s-a dovedit impenetrabil pentru atomii de hidrogen. O probă de hidrogen a fost comprimată între capetele ascuțite ale două nicovale de diamant și la o presiune de 495 GPa, oamenii de știință au realizat tranziția probei în faza metalică.
Sursa: Dias & Silvera, 2017
În orice caz, proba sa întunecat mai întâi și apoi a început să reflecte lumina. La presiuni relativ scăzute, proba era opac și nu conducea curentul. Experimentul, condus de Isaac Silvera și Ranga Dias, a fost repetat. Oamenii de știință au reușit pentru prima dată să realizeze tranziția hidrogenului în faza metalică la jumătatea anului 2016. Dar rezultatele experimentului au avut nevoie de confirmare și experimente repetate. Deoarece rezultatele experimentului inițial au fost confirmate, acestea pot fi considerate corecte.
Oamenii de știință lucrează la rezultatul actual de câțiva ani. Silver și Diaz au avut nevoie de trei ani doar pentru a atinge presiunea la care hidrogenul se descompune în atomi individuali. Presiunea în cauză este de 380 GPa.
După aceasta, creșterea presiunii a implicat necesitatea întăririi rezistenței nicovalelor de diamant utilizate în experiment. Pentru a face acest lucru, au început să pulverizeze o peliculă foarte subțire de oxid de aluminiu. Fără a se întări, diamantele, care sunt cele mai dure minerale de pe Pământ, încep să se fractureze atunci când presiunea crește peste 400 GPa.
Oamenii de știință au depus multă muncă studiind diamantele. Ar putea exista mai multe motive pentru distrugere - de la defecte ale structurii cristaline la influența hidrogenului însuși, comprimat la o densitate uriașă. Pentru a rezolva prima problemă, specialiștii au examinat cu atenție structurile cristaline la microscop cu mărire mare. „Când ne-am uitat la diamant la microscop, am descoperit defecte care fac acest mineral vulnerabil la factorii externi”, a spus Silvera. A doua problemă a fost rezolvată prin pulverizare, care previne scurgerea atomilor și moleculelor de hidrogen.
Este încă greu de spus ce formă de metal au primit britanicii - solid sau lichid. Ei înșiși le este greu de spus, deși cred că hidrogenul a trecut în faza metalică lichidă, deoarece acest lucru este prezis de calcule. Ceea ce sunt siguri este că proba de hidrogen, după comprimare, a devenit de 15 ori mai densă decât înainte de începerea procedurii. Temperatura hidrogenului, care a fost plasat într-o nicovală de diamant, a fost de 15K. După ce elementul a trecut în faza metalică, a fost încălzit la 83 K și și-a păstrat proprietățile metalice. Calculele arată că hidrogenul metalic poate fi metastabil, adică își păstrează proprietățile chiar și după ce factorii externi care au dus la trecerea elementului în faza metalică sunt slăbiți.
De ce are nevoie o persoană de hidrogen metalic? Se crede că în această stare prezintă proprietățile unui supraconductor la temperatură înaltă. În plus, compușii metastabili de hidrogen pot fi utilizați ca combustibil compact, eficient și curat pentru rachete. Astfel, atunci când hidrogenul metalic trece în faza moleculară, se eliberează de aproximativ 20 de ori mai multă energie decât la arderea unui kilogram dintr-un amestec de oxigen și hidrogen - 216 MJ/kg.
„Avem nevoie de o cantitate imensă de energie pentru a produce hidrogen metalic. Și dacă transformi hidrogenul metalic atomic înapoi într-o stare moleculară, toată acea energie este eliberată, astfel încât să putem crea cel mai puternic combustibil pentru rachete din lume, care va revoluționa știința rachetelor”, au spus autorii studiului. În opinia lor, noul combustibil, dacă este folosit, va face mai ușor să ajungeți la alte planete. Timpul petrecut călătorind la ei va fi mult mai mic decât în prezent, folosind tehnologii moderne.
Ecologia consumului.Știință și tehnologie: Noul material poate revoluționa știința rachetelor și industria supraconductoarelor, dar până acum a fost obținut doar în cantități foarte mici.
Cercetătorii de la Universitatea Harvard (SUA) au reușit pentru prima dată să producă hidrogen metalic în laborator la temperaturi scăzute. Pentru a face acest lucru, au trebuit să creeze o presiune mai mare decât în centrul Pământului. Deși hidrogenul metalic a fost prezis acum aproape un secol, dificultățile excepționale în obținerea acestui material au făcut de multă vreme producția lui în formă solidă un vis de neatins.
În prima jumătate a secolului al XX-lea, teoreticienii au arătat că hidrogenul obișnuit, care există sub formă de molecule diatomice, își va pierde treptat structura moleculară pe măsură ce presiunea crește. Moleculele sale se vor destrăma pur și simplu, formând hidrogen atomic mult mai dens în faza solidă.
Acest material, răspândit în interiorul lui Jupiter, are o serie de proprietăți unice care îl fac extrem de promițător. Conform calculelor, ar trebui să fie un bun conductor - poate chiar un supraconductor. Și, de exemplu, atunci când se topește hidrogenul metalic, ar trebui eliberată de 21 de ori mai multă energie decât atunci când se arde un kilogram din același hidrogen în oxigen. În teorie, acest lucru îl face un combustibil excelent pentru rachete, care poate fi folosit pentru a construi rachete cu o singură etapă și pentru a lansa sarcini utile mari în spațiu pe o rachetă de dimensiuni moderate.
Dar pentru a face toate acestea, trebuie mai întâi să obțineți un astfel de hidrogen. Multă vreme s-a putut crea presiunea necesară obținerii acesteia doar cu ajutorul nicovalelor de diamant cu încălzire și compactare cu laser. Temperatura din astfel de nicovale era adesea măsurată în mii de grade - chiar și după ce au primit hidrogen metalic în ele, cercetătorii l-au pierdut imediat o milisecundă mai târziu. Nu a fost posibil să se măsoare în mod fiabil proprietățile sale metalice la temperaturi scăzute.
De această dată, oamenii de știință au optimizat nicovala de diamant în așa fel încât să producă hidrogen metalic la temperaturi scăzute. Navala este formată din două diamante conice sintetice. Pentru a elimina defectele diamantelor (pentru a evita crăparea când presiunea crește), acestea au fost lustruite cu așchii de diamant. În plus, au fost acoperite cu un strat de alumină. Cu ajutorul acestuia, a fost posibilă blocarea difuziei hidrogenului la presiuni mari în diamantele nicovală.
Difuzarea hidrogenului creează rapid diamantedefecte care le fac fragile, iar comprimarea suplimentară a hidrogenului duce la distrugerea lor. După modificare, celula de nicovală cu diamant a fost folosită pentru a produce hidrogen metalic la o temperatură de 5,5 kelvin și o presiune de 495 gigapascali. Aceasta este de aproape cinci milioane de ori mai mare decât cea atmosferică. 5,5 Kelvin reprezintă o temperatură scăzută record pentru această presiune. Analiza spectroscopică a arătat că hidrogenul din noul material este în stare atomică, iar densitatea acestuia corespunde hidrogenului metalic.
Până acum, hidrogenul a fost obținut în cantități foarte mici, cu ajutorul căruia a fost posibil doar să se clarifice în mod fiabil că are proprietăți metalice și reflectivitate ridicată - a reflectat aproximativ 0,91 din radiația electromagnetică incidentă asupra acestuia. Cu toate acestea, în viitor, cercetătorii speră să obțină cantități suficient de mari din acest material. În cantități semnificative ar trebui să fie metastabil, precum diamantul. Aceasta înseamnă că, deși este necesară o presiune foarte mare pentru a-l produce, odată format, hidrogenul metalic rămâne stabil chiar și în condiții obișnuite - la temperatura camerei și presiunea atmosferică. Acest lucru se datorează faptului că energia necesară pentru a rupe legăturile într-un astfel de material este atât de mare încât în condiții normale nu va avea loc o astfel de tranziție.
Prevăd o serie de lucrărit hidrogenul metalic are supraconductivitate la temperatura camerei. Până în prezent, astfel de supraconductori nu au fost încă obținuți.
Hidrogenul metalic necesită multă energie atunci când este produs, iar atunci când trece în faza de hidrogen gazos (obișnuit), această energie este eliberată rapid. Dacă este folosit în motoarele de rachetă, poate produce un impuls specific de 1.700 de secunde. Cele mai bune tipuri de combustibil pentru rachete de astăzi oferă cifre de aproximativ 400 de secunde. În plus, hidrogenul metalic, datorită metastabilității sale, nu va necesita rezervoare criogenice și nu va curge rapid prin pereții lor în spațiu (acest lucru limitează utilizarea hidrogenului lichid în rachete). Cu un astfel de combustibil solid, în teorie, este posibil să se creeze rachete cu o singură etapă, de mare capacitate, la costuri moderate. NASA îl consideră un factor care poate schimba dramatic echilibrul de putere în industria spațială. Este posibil să se verifice dacă acest lucru este adevărat sau nu numai în practică - după îmbunătățirea metodelor existente de dezvoltare a acestuia. publicat
HIDROGEN METAL- un set de faze de hidrogen de înaltă presiune cu proprietăți metalice. proprietăți. Posibilitatea de tranziție a hidrogenului în metal. faza a fost considerată pentru prima dată teoretic de Yu. Wigner și H. B. Huntington în 1935 [I]-^B mai departe, pe măsură ce metodele de teoria electronică a metalelor dezvoltate, nivelul de stare a metalului. fazele de hidrogen au fost studiate teoretic. În fig. Figura 1 prezintă diagrama de fază obținută prin sintetizarea rezultatelor acestor calcule cu experiment. și teoretic date privind nivelul de stare a hidrogenului molecular. La atm. presiune și temperaturi scăzute, hidrogenul există sub formă de dielectric. cristal molecular, odată cu creșterea presiunii are loc o tranziție la cristalin. metalic stat. În același timp, în funcție de temperatură, sunt posibile 3 faze de M. v. La temperatura T= 0 K și presiune r = Metalizarea de 300-100 GPa este însoțită de o restructurare a cristalinului. structuri, H 2 şi metalice. cristalul devine atomic. La T> Metalizarea 10 K este posibilă menținând în același timp structura cristalului molecular (linia punctată; metalizarea de acest tip a fost observată anterior în iod). Odată cu o creștere suplimentară a presiunii sau a temperaturii, apare metalul. faza si se formeaza un atomic lichid M. c..
