ไฮโดรเจนที่เป็นโลหะ ความก้าวหน้าทางฟิสิกส์? ไฮโดรเจนที่เป็นโลหะแข็งอาจกลายเป็นความจริงได้ ดำดิ่งสู่ดาวพฤหัสบดี

เวอร์ชันปัจจุบันของเพจยังไม่ได้รับการยืนยัน

เวอร์ชันปัจจุบันของเพจยังไม่ได้รับการยืนยันโดยผู้เข้าร่วมที่มีประสบการณ์ และอาจแตกต่างอย่างมากจากเวอร์ชันที่ยืนยันเมื่อวันที่ 27 พฤษภาคม 2017 จำเป็นต้องมีการตรวจสอบ

ไฮโดรเจนของโลหะ- ชุดของสถานะเฟสของไฮโดรเจนซึ่งมีความดันสูงมากและผ่านการเปลี่ยนสถานะแล้ว ไฮโดรเจนที่เป็นโลหะเป็นสถานะเสื่อมโทรมของสสาร และตามสมมติฐานบางประการ อาจมีคุณสมบัติเฉพาะบางอย่าง เช่น ความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง และความร้อนจำเพาะสูงของการเปลี่ยนเฟส

ในช่วงทศวรรษที่ 1930 นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ จอห์น เบอร์นัล เสนอว่าอะตอมไฮโดรเจนซึ่งประกอบด้วยโปรตอนหนึ่งตัวและอิเล็กตรอนหนึ่งตัวและโลหะอัลคาไลที่คล้ายคลึงกันทั้งหมด อาจมีเสถียรภาพที่ความดันสูง ในปี 1935 Eugene Wigner และ H. B. Huntington ได้ทำการคำนวณที่สอดคล้องกัน สมมติฐานของ Bernal ได้รับการยืนยัน - จากการคำนวณที่ได้รับ โมเลกุลไฮโดรเจนจะเปลี่ยนเป็นเฟสโลหะอะตอมที่ความดันประมาณ 250,000 บรรยากาศ (25 GPa) โดยมีความหนาแน่นเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ต่อมา การประมาณแรงกดดันที่จำเป็นสำหรับการเปลี่ยนเฟสเพิ่มขึ้น แต่เงื่อนไขการเปลี่ยนยังคงถือว่าเป็นไปได้ คุณสมบัติของโลหะไฮโดรเจนถูกทำนายตามทฤษฎี ความพยายามเพื่อให้ได้มาซึ่งเริ่มต้นในทศวรรษ 1970 ทำให้เกิดภาวะไฮโดรเจนเกิดขึ้นในปี 1996, 2008 และ 2011 จนกระทั่งในที่สุดในปี 2017 ศาสตราจารย์ไอแซค ซิลเวอร์ราและเพื่อนร่วมงานของเขา Ranga Díaz ก็สามารถเก็บตัวอย่างที่เสถียรได้ที่ 5 ล้านบรรยากาศ อย่างไรก็ตาม ห้องที่ ตัวอย่างถูกเก็บไว้โดยยุบตัวภายใต้ความกดดัน และตัวอย่างก็สูญหายไป

เชื่อกันว่ามีโลหะไฮโดรเจนจำนวนมากอยู่ในแกนกลางของดาวเคราะห์ยักษ์ เช่น ดาวพฤหัส ดาวเสาร์ และดาวเคราะห์นอกระบบขนาดใหญ่ เนื่องจากแรงอัดจากแรงโน้มถ่วง ควรมีแกนกลางของไฮโดรเจนที่เป็นโลหะอยู่ใต้ชั้นก๊าซ

เมื่อความดันภายนอกเพิ่มขึ้นเป็นสิบ GPa กลุ่มอะตอมไฮโดรเจนเริ่มแสดงคุณสมบัติของโลหะ นิวเคลียสของไฮโดรเจน (โปรตอน) เข้าใกล้กันมากกว่ารัศมีบอร์มาก ในระยะห่างที่เทียบได้กับความยาวคลื่นของอิเล็กตรอนเดอบรอกลี ดังนั้นแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอิเล็กตรอนกับนิวเคลียสจึงไม่มีการแปลเป็นภาษาท้องถิ่น อิเล็กตรอนจะจับกับโปรตอนอย่างอ่อนและก่อตัวเป็นก๊าซอิเล็กตรอนอิสระ เช่นเดียวกับในโลหะ

สถานะของเหลวของไฮโดรเจนที่เป็นโลหะแตกต่างจากสถานะของแข็งในกรณีที่ไม่มีลำดับระยะยาว มีการถกเถียงกันเกี่ยวกับช่วงการมีอยู่ของไฮโดรเจนโลหะเหลวที่ยอมรับได้ ต่างจากฮีเลียม-4 ซึ่งเป็นของเหลวที่อุณหภูมิต่ำกว่า 4.2 และความดันปกติเนื่องจากพลังงานการสั่นสะเทือนที่จุดศูนย์ อาร์เรย์ของโปรตอนที่อัดแน่นมีพลังงานการสั่นสะเทือนที่จุดศูนย์อย่างมีนัยสำคัญ ดังนั้น การเปลี่ยนจากเฟสผลึกไปเป็นเฟสที่ไม่เป็นระเบียบคาดว่าจะเกิดขึ้นที่แรงกดดันที่สูงขึ้นไปอีก การวิจัยโดย N. Ashcroft ช่วยให้เกิดบริเวณที่มีไฮโดรเจนโลหะเหลวที่ความดันประมาณ 400 GPa และอุณหภูมิต่ำ ในงานอื่นๆ E. Babaev เสนอว่าไฮโดรเจนที่เป็นโลหะอาจเป็นของเหลว superfluid ของโลหะ

ในปี 2554 มีรายงานการสังเกตเฟสโลหะเหลวของไฮโดรเจนและดิวทีเรียมที่ความดันสถิตที่ 260–300 GPa ซึ่งทำให้เกิดคำถามอีกครั้งในชุมชนวิทยาศาสตร์

ชุมชนวิทยาศาสตร์สงสัยเกี่ยวกับข่าวนี้และคาดว่าจะมีการทดลองซ้ำ

สารประกอบไฮโดรเจนที่เป็นโลหะที่แพร่กระจายได้มีแนวโน้มที่จะเป็นเชื้อเพลิงที่มีขนาดกะทัดรัด มีประสิทธิภาพ และสะอาด เมื่อไฮโดรเจนที่เป็นโลหะผ่านเข้าสู่เฟสโมเลกุลปกติ พลังงานจะถูกปล่อยออกมามากกว่าการเผาไหม้ส่วนผสมของออกซิเจนและไฮโดรเจนถึง 20 เท่า - 216 MJ/kg

พลังงานไฮโดรเจน ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี และความปลอดภัยต่อสิ่งแวดล้อมในอุตสาหกรรมโลหะวิทยาที่มีเหล็ก
การรีดิวซ์เหล็กออกไซด์โดยตรงด้วยไฮโดรเจน

วิธีการรีดิวซ์เหล็กโดยตรงด้วยไฮโดรเจนในปัจจุบันยังคงไม่เปลี่ยนแปลงตามกระบวนการทางเทคโนโลยี - การเตรียมเป็นพิเศษนั่นคือแร่เสริมสมรรถนะซึ่งมีสมาธิที่มีเหล็กออกไซด์หลักจะถูกรีดิวซ์ในเตาเพลาโดยใช้เชื้อเพลิงแข็งเช่นเดียวกับ กรณีในสมัยโบราณหรือ เพื่อจุดประสงค์นี้ มีการใช้ก๊าซที่ถูกแปลงแล้ว - มีเทนธรรมชาติ แต่ถูกแปลงเป็นส่วนผสมของไฮโดรเจนและคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO)

3Fe2O3+H2= 2Fe3O4+H 20
Fe3O4+H2=3FeO+H 2O
เฟ2O+H2=เฟ+H2O

ตามที่ได้มีการค้นพบแล้ว เป็นไปได้ที่จะนำแร่เข้มข้นที่ยังไม่ได้เปลี่ยนเป็นเม็ดกลับมาใช้ใหม่ได้ ยิ่งกว่านั้นปรากฎว่าสมาธิลดลงแม้ในอัตราที่เร็วกว่าเม็ดที่ทำจากมันก็ตาม อย่างไรก็ตาม ในการดำเนินการตามกระบวนการนี้ มีปัญหาในลักษณะทางเทคโนโลยีล้วนๆ

วิธีที่น่าสนใจที่สุดในการลดเหล็กออกไซด์คือความเป็นไปได้ในการใช้ไฮโดรเจนในโหมดการเผาไหม้ กระบวนการนำกลับคืนจะดำเนินการค่อนข้างเร็ว ยิ่งกว่านั้น ไม่มีสิ่งเจือปนที่ไม่จำเป็น: ผลิตภัณฑ์นำกลับคืนประกอบด้วยเหล็กและน้ำ อย่างไรก็ตาม การผลิตและการเก็บรักษาไฮโดรเจนเกี่ยวข้องกับปัญหาด้านเทคนิคและเศรษฐกิจหลายประการ ดังนั้นจนถึงขณะนี้ไฮโดรเจนจึงถูกนำมาใช้เพื่อการผลิตผงโลหะเท่านั้น

มีเทคโนโลยีการลดเหล็กออกไซด์ที่อุณหภูมิปานกลางเมื่อกระบวนการเผาไหม้และการสัมผัสกับไฮโดรเจนโดยตรงเกิดขึ้นที่อุณหภูมิ 470-8100C ตัวรีดิวซ์คือไฮโดรเจนไม่ว่าจะอยู่ในรูปบริสุทธิ์หรือผสมกับคาร์บอนมอนอกไซด์ โดยธรรมชาติแล้วเหล็กจะอยู่ในสถานะของแข็ง และก่อตัวเป็นฟองน้ำเมื่อลดลง

การวิเคราะห์ข้อมูลข้างต้นให้เหตุผลในการสรุปดังต่อไปนี้:

ในบรรดาปฏิกิริยารีดักชันของเหล็กออกไซด์กับไฮโดรเจน มีเพียงปฏิกิริยา (1.1) เท่านั้นที่จะคายความร้อน เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น อัตราส่วน (%H2 O) / (%H2) ในเฟสก๊าซสมดุลของปฏิกิริยานี้จะลดลง

ปฏิกิริยา (1.4), (1.7), (1.10) เป็นแบบดูดความร้อน ดังนั้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น อัตราส่วน (%H2 O) / (%H2) ในเฟสก๊าซสมดุลของปฏิกิริยาเหล่านี้จะเพิ่มขึ้น

ผลกระทบของอุณหภูมิต่อการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของเฟสก๊าซสมดุลสำหรับปฏิกิริยารีดักชันของเหล็กออกไซด์กับไฮโดรเจนแต่ละรายการจะแสดงในรูปที่ 1 ด้วยเส้นประ

ควรสังเกตว่าเส้นโค้งที่แสดงลักษณะขององค์ประกอบของส่วนผสมของก๊าซสมดุลสำหรับปฏิกิริยารีดักชันของเหล็กออกไซด์ที่มีคาร์บอนมอนอกไซด์และไฮโดรเจนตัดกันที่อุณหภูมิ 8100C จากการวิเคราะห์ปฏิกิริยาของแก๊สน้ำจะทราบได้ว่าหากเข้าเงื่อนไข

คาร์บอนมอนอกไซด์และไฮโดรเจนที่อุณหภูมินี้มีความสัมพันธ์ทางเคมีกับออกซิเจนเท่ากัน

ที่อุณหภูมิสูงกว่า 8100 C ไฮโดรเจนมีความสัมพันธ์ทางเคมีกับออกซิเจนสูง ดังนั้นเมื่อรีดิวซ์เหล็กออกไซด์ด้วยไฮโดรเจน ปริมาณปริมาตรของตัวรีดิวซ์ในเฟสก๊าซอาจน้อยกว่าเมื่อรีดิวซ์ด้วยคาร์บอนมอนอกไซด์

ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 8100 C คาร์บอนมอนอกไซด์มีความสัมพันธ์ทางเคมีกับออกซิเจนสูงกว่า

ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายในทุกที่คือเหล็ก น้ำ และคาร์บอนไดออกไซด์ และน้ำสามารถนำกลับมาใช้ใหม่เพื่อผลิตไฮโดรเจนและออกซิเจนได้ ดังนั้นจึงมีโอกาสที่แท้จริงในการใช้วงจรการลดปริมาณธาตุเหล็กด้วยไฮโดรเจนแบบปิด และสร้างการผลิตที่ปราศจากขยะ

อย่างไรก็ตาม ไฮโดรเจนยังคงผลิตโดยวิธีการที่ได้รับการพิสูจน์แล้วสองวิธี ได้แก่ การไฮโดรไลซิสของน้ำ และการสลายตัวด้วยไฟฟ้า หรืออีกนัยหนึ่งคือ อิเล็กโทรไลซิส อย่างไรก็ตาม มีการสลายตัวทางเคมีซึ่งมีข้อดีมากกว่า แต่ก็ไม่ได้แพร่หลายมากนัก ซึ่งมีเหตุผลทางเทคนิคหลายประการล้วนๆ การค้นหาวิธีการใหม่ยังคงดำเนินต่อไป เนื่องจากไม่ต้องสงสัยถึงความสำคัญของปัญหา

การใช้ไฮโดรเจนสำหรับความต้องการของโลหะวิทยาที่เป็นเหล็กเป็นความจริงในปัจจุบัน และสิ่งนี้เป็นไปได้ด้วยการใช้หน่วยเครื่องกำเนิดกังหันไฮโดรเจนที่สร้างขึ้นบนพื้นฐานของการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ของ NPPSO "Grantstroy" โดยผู้เขียน Arakelyan G.G., Arakelyan A.G., Arakelyan Gr.G. – ปรากฏการณ์ที่ไม่ทราบมาก่อนของการเกิดออกซิเดชันอุณหภูมิสูงสองขั้นตอนของไฮโดรคาร์บอนกับน้ำ (ประกาศนียบัตรหมายเลข 425) และการประดิษฐ์ “วิธีการผลิตก๊าซที่ประกอบด้วยไฮโดรเจนในหน่วยเทอร์โบเจนเนอเรเตอร์” (สิทธิบัตรหมายเลข 117145 ลงวันที่ 20 มิถุนายน 2555, ฉบับที่ 2269486 ลงวันที่ 10 กุมภาพันธ์ 2549 ฉบับที่ 2478688 ลงวันที่ 10 เมษายน 2556)

เป็นครั้งแรกในทางปฏิบัติของโลก เมื่อดำเนินงานด้านวิทยาศาสตร์และการพัฒนาไปพร้อมๆ กับการทดสอบหน่วยสร้างกังหันไฮโดรเจนเจเนอเรชันใหม่ตามสิทธิบัตรการประดิษฐ์หมายเลข 2678688 นักวิทยาศาสตร์ของ JSC NPPSO "Grantstroy" ระบุปรากฏการณ์ใหม่ที่ไม่เหมือนใคร นั่นคือ การลดปริมาณธาตุเหล็ก ออกไซด์กับไฮโดรเจน

กรณีนี้ไม่รวมอยู่ในแผนและแผนงานห้องปฏิบัติการเพื่อศึกษาการผลิตไฮโดรเจนในหน่วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โบ เมื่อวิเคราะห์ก๊าซที่ออกมาจากหน่วยกังหันกำเนิดไฮโดรเจน นักวิทยาศาสตร์ใช้ท่อไอเสียก๊าซแนวนอนตรงกลางที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 279 มม. ความหนาของผนัง 8 มม. และความยาว 2,500 มม. หุ้มด้วยเหล็กออกไซด์ทั้งด้านนอกและด้านใน ด้านข้างซึ่งต้องสัมผัสกับสิ่งแวดล้อมเป็นเวลาประมาณ 10 ปี (การตกตะกอน ฯลฯ) (รูปที่ 2)

ข้าว. 2. เริ่มต้นการวิจัยในห้องปฏิบัติการ

งานที่กำหนดไว้สำหรับนักวิทยาศาสตร์ในช่วงระยะเวลาการทดสอบนี้คือ การกำหนดอุณหภูมิของการเผาไหม้ไฮโดรเจนที่ทางออกของท่อไอเสียก๊าซโดยใช้เทอร์โมคัปเปิล TP (ขีดจำกัดการกำหนดอุณหภูมิอยู่ที่ 1,500 ° C) และวิเคราะห์ก๊าซโดยใช้ Testo- 300 เครื่อง. การทดลองใช้เวลาประมาณ 35 นาที ในช่วงนี้พบว่าผลของไฮโดรเจนที่อุณหภูมิการเผาไหม้ 900°C ต่อท่อไอเสียก๊าซที่ใช้ในการทดลองนี้มีส่วนทำให้กระบวนการรีดิวซ์ของเหล็กออกไซด์ในด้านในได้ 100% ตลอดทั้งความหนาและ บางส่วนอยู่ด้านนอกเนื่องจากอิทธิพลของไฮโดรเจนที่ติดไฟได้ซึ่งออกมาในปริมาณจำกัด (รูปที่ 3)

ข้าว. 3. การลดปริมาณเหล็กออกไซด์ด้วยไฮโดรเจน

ข้อเท็จจริงที่เชื่อถือได้ การศึกษาเชิงทดลอง และดังที่แสดงในรูปที่ 1 เส้นโค้ง 5, 5a และปฏิกิริยารีดักชันของเหล็กออกไซด์ตัดกันที่อุณหภูมิการเผาไหม้ไฮโดรเจน 9000C ทั้งหมดนี้ให้เหตุผลทุกประการในการประกาศความเป็นไปได้ของการใช้หน่วยเครื่องกำเนิดเทอร์โบไฮโดรเจนใน โลหะวิทยาสำหรับการลดไฮโดรเจนของเหล็กออกไซด์ด้วยต้นทุนที่ต่ำมากซึ่งเปิดโอกาสในการเริ่มแปรรูปของเสียจากเหมืองในรูปของเหล็กออกไซด์ซึ่งมีปริมาณทั่วโลกประมาณ 1 ล้านล้าน 250 พันล้านตันและละเมิดเสถียรภาพด้านสิ่งแวดล้อม ในภูมิภาคที่ขุดและแปรรูปแร่เหล็กอย่างจริงจัง

การคำนวณเบื้องต้นและการทดลองครั้งแรกแสดงให้เห็นว่ามีความเป็นไปได้ที่จะผลิตไฮโดรเจนด้วยต้นทุนที่ต่ำจนในที่สุด "โลหะวิทยาไฮโดรเจน" จะได้รับพื้นฐานทางเศรษฐกิจที่เชื่อถือได้ โดยคำนึงถึงความปลอดภัยด้านสิ่งแวดล้อมโดยสมบูรณ์ของการลดไฮโดรเจนของเหล็กออกไซด์

ดังที่เห็นได้แล้วว่า มีความจำเป็นที่จะต้องแนะนำการลดไฮโดรเจนของเหล็กออกไซด์โดยตรงในโลหะวิทยา เพื่อให้แน่ใจว่าการผลิตจะปราศจากของเสียในโลหะวิทยาที่เป็นเหล็ก

การลดไฮโดรเจนโดยตรงของเหล็กออกไซด์เป็นเพียงจุดเริ่มต้นของความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีในโลหะวิทยากลุ่มเหล็ก แต่การเชื่อมโยงอื่นๆ ไม่ว่าจะเป็นคอนเวอร์เตอร์ เตาไฟฟ้า โรงงานอัตโนมัติ อุปกรณ์ที่มีเทคโนโลยีการทำงานต่ำ ล้วนต้องการวัตถุดิบตั้งต้นที่ดี มันจะเป็นเหล็กออกไซด์รีดิวซ์ด้วยไฮโดรเจน

โลหะวิทยาแห่งอนาคตมักเรียกว่าไฮโดรเจน ไม่ใช่โดยไม่มีเหตุผล ปัจจุบันไฮโดรเจนมีราคาแพง การรับ การจัดเก็บ และการขนส่งเกี่ยวข้องกับปัญหาทางเทคนิคล้วนๆ มากมาย อย่างไรก็ตาม การทดลองและการคำนวณเบื้องต้นแสดงให้เห็นว่ามีความเป็นไปได้ที่จะผลิตไฮโดรเจนด้วยต้นทุนที่ต่ำมากโดยใช้การประดิษฐ์ของ JSC NPPSO Grantstroy ซึ่ง "โลหะผสมไฮโดรเจน" จะได้รับพื้นฐานทางเศรษฐกิจที่เชื่อถือได้ และถ้าเราคำนึงถึงความปลอดภัยด้านสิ่งแวดล้อมโดยสมบูรณ์ของโรงงานผลิตไฮโดรเจนเทอร์โบเจนเนอเรเตอร์ ก็น่าสงสัยว่าพวกเขาจะกำหนดอนาคตของโลหะวิทยาไว้ล่วงหน้า ซึ่งจะเปิดโอกาสมหาศาลในโลกสมัยใหม่

(บทความนี้ใช้ข้อมูลจากเว็บไซต์และตำราเรียนด้วย)

วิทยาศาสตรดุษฎีบัณฑิต, เกียรตินิยม
ผู้ริเริ่ม - นักประดิษฐ์ของสหพันธรัฐรัสเซีย
ผู้สร้างผู้มีเกียรติแห่งรัสเซีย G.G. อาราเคเลียน

นิเวศวิทยาของการบริโภค วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี: วัสดุใหม่สามารถปฏิวัติวิทยาศาสตร์จรวดและอุตสาหกรรมตัวนำยิ่งยวด แต่จนถึงขณะนี้ได้รับในปริมาณที่น้อยมากเท่านั้น

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด (สหรัฐอเมริกา) สามารถผลิตไฮโดรเจนโลหะในห้องปฏิบัติการที่อุณหภูมิต่ำได้เป็นครั้งแรก เพื่อจะทำสิ่งนี้ได้ พวกเขาจะต้องสร้างแรงกดดันให้สูงกว่าใจกลางโลก แม้ว่าไฮโดรเจนที่เป็นโลหะจะถูกทำนายไว้เมื่อเกือบหนึ่งศตวรรษที่ผ่านมา แต่ความยากลำบากพิเศษในการได้รับวัสดุนี้ทำให้การผลิตในรูปแบบของแข็งกลายเป็นความฝันที่ไม่อาจบรรลุมาเป็นเวลานาน

ย้อนกลับไปในช่วงครึ่งแรกของศตวรรษที่ 20 นักทฤษฎีแสดงให้เห็นว่าไฮโดรเจนธรรมดาซึ่งมีอยู่ในรูปของโมเลกุลไดอะตอมมิกจะค่อยๆ สูญเสียโครงสร้างโมเลกุลไปเมื่อความดันเพิ่มขึ้น โมเลกุลของมันจะแตกสลาย ก่อตัวเป็นไฮโดรเจนอะตอมมิกที่อัดแน่นมากขึ้นในระยะของแข็ง

วัสดุนี้แพร่หลายภายในดาวพฤหัสบดี มีคุณสมบัติพิเศษหลายประการที่ทำให้มีแนวโน้มที่ดีอย่างยิ่ง ตามการคำนวณ มันควรจะเป็นตัวนำที่ดี - อาจเป็นตัวนำยิ่งยวดด้วยซ้ำ และตัวอย่างเช่น เมื่อละลายไฮโดรเจนที่เป็นโลหะ ควรปล่อยพลังงานออกมามากกว่าการเผาไหม้ไฮโดรเจนเดียวกันในออกซิเจนถึง 21 เท่า ตามทฤษฎี สิ่งนี้ทำให้มันเป็นเชื้อเพลิงจรวดที่ยอดเยี่ยมที่สามารถใช้ในการสร้างจรวดระยะเดียวและปล่อยน้ำหนักบรรทุกขนาดใหญ่ขึ้นสู่อวกาศบนจรวดที่มีขนาดปานกลางได้

แต่การจะทำทั้งหมดนี้ได้ คุณต้องได้รับไฮโดรเจนดังกล่าวก่อน เป็นเวลานานที่สามารถสร้างแรงกดดันที่จำเป็นเพื่อให้ได้มาด้วยความช่วยเหลือของทั่งเพชรที่มีการให้ความร้อนและการบดอัดด้วยเลเซอร์ อุณหภูมิในทั่งตีเหล็กมักวัดได้หลายพันองศา แม้หลังจากได้รับไฮโดรเจนที่เป็นโลหะแล้วก็ตาม นักวิจัยก็สูญเสียอุณหภูมิไปในทันทีในเสี้ยววินาทีต่อมา ไม่สามารถวัดคุณสมบัติโลหะได้อย่างน่าเชื่อถือที่อุณหภูมิต่ำ

คราวนี้ นักวิทยาศาสตร์ได้ปรับปรุงทั่งเพชรให้เหมาะสมเพื่อผลิตไฮโดรเจนที่เป็นโลหะที่อุณหภูมิต่ำ ทั่งประกอบด้วยเพชรทรงกรวยสังเคราะห์สองเม็ด เพื่อขจัดข้อบกพร่องในเพชร (เพื่อหลีกเลี่ยงการแตกร้าวเมื่อความดันเพิ่มขึ้น) พวกเขาจึงขัดด้วยชิปเพชร นอกจากนี้ยังเคลือบด้วยชั้นอลูมินาอีกด้วย ด้วยความช่วยเหลือนี้ ทำให้สามารถปิดกั้นการแพร่กระจายของไฮโดรเจนที่ความดันสูงเข้าไปในเพชรทั่งได้

การแพร่กระจายของไฮโดรเจนจะก่อตัวขึ้นในเพชรอย่างรวดเร็วข้อบกพร่องที่ทำให้เปราะและการอัดไฮโดรเจนเพิ่มเติมนำไปสู่การทำลายล้าง หลังจากการดัดแปลง เซลล์ทั่งเพชรถูกนำมาใช้เพื่อผลิตไฮโดรเจนที่เป็นโลหะที่อุณหภูมิ 5.5 เคลวิน และความดัน 495 กิกะปาสคาล ซึ่งสูงกว่าบรรยากาศเกือบห้าล้านเท่า 5.5 เคลวินเป็นอุณหภูมิที่ต่ำเป็นประวัติการณ์สำหรับความดันนี้ การวิเคราะห์ทางสเปกโทรสโกปีแสดงให้เห็นว่าไฮโดรเจนในวัสดุใหม่อยู่ในสถานะอะตอม และความหนาแน่นของมันสอดคล้องกับไฮโดรเจนของโลหะ

จนถึงขณะนี้ได้รับไฮโดรเจนในปริมาณที่น้อยมากด้วยความช่วยเหลือซึ่งเป็นไปได้ที่จะชี้แจงได้อย่างน่าเชื่อถือว่ามันมีคุณสมบัติเป็นโลหะและการสะท้อนแสงสูง - มันสะท้อนกลับประมาณ 0.91 จากรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่ตกกระทบ อย่างไรก็ตาม ในอนาคต นักวิจัยหวังว่าจะได้รับวัสดุนี้ในปริมาณมากเพียงพอ ในปริมาณมากควรแพร่กระจายได้เหมือนเพชร ซึ่งหมายความว่าแม้ว่าจะต้องใช้แรงดันสูงมากในการผลิต แต่เมื่อก่อตัวขึ้นแล้ว ไฮโดรเจนที่เป็นโลหะจะยังคงเสถียรแม้ภายใต้สภาวะปกติ นั่นคือที่อุณหภูมิห้องและความดันบรรยากาศ นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าพลังงานที่จำเป็นในการทำลายพันธะในวัสดุดังกล่าวนั้นมีมากจนภายใต้สภาวะปกติการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวจะไม่เกิดขึ้น

ทำนายไว้หลายผลงานครับไฮโดรเจนที่เป็นโลหะมีค่าการนำไฟฟ้ายิ่งยวดที่อุณหภูมิห้อง จนถึงปัจจุบันยังไม่ได้รับตัวนำยิ่งยวดดังกล่าว

ไฮโดรเจนที่เป็นโลหะต้องใช้พลังงานจำนวนมากในการผลิต และเมื่อมันผ่านเข้าสู่สถานะก๊าซไฮโดรเจน (ธรรมดา) พลังงานนี้จะถูกปล่อยออกมาอย่างรวดเร็ว หากใช้ในเครื่องยนต์จรวด จะสามารถสร้างแรงกระตุ้นจำเพาะได้ 1,700 วินาที เชื้อเพลิงจรวดประเภทที่ดีที่สุดในปัจจุบันให้ตัวเลขในช่วง 400 วินาที นอกจากนี้ ไฮโดรเจนที่เป็นโลหะเนื่องจากความสามารถในการแพร่กระจายได้ ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้ถังแช่แข็งและจะไม่ไหลผ่านผนังในอวกาศอย่างรวดเร็ว (ซึ่งจำกัดการใช้ไฮโดรเจนเหลวในจรวด) ตามทฤษฎีแล้ว เชื้อเพลิงแข็งดังกล่าวสามารถสร้างจรวดความจุสูงขั้นเดียวได้ในราคาปานกลาง NASA มองว่าสิ่งนี้เป็นปัจจัยที่สามารถเปลี่ยนสมดุลพลังงานในอุตสาหกรรมอวกาศได้อย่างมาก คุณสามารถตรวจสอบได้ว่าสิ่งนี้เป็นจริงหรือไม่เฉพาะในทางปฏิบัติ - หลังจากปรับปรุงวิธีการพัฒนาที่มีอยู่แล้ว ที่ตีพิมพ์

เรารู้อะไรเกี่ยวกับโลกรอบตัวเรา? ช่างเถอะ. โดยทั่วไปแล้ววัสดุทั้งหมดที่อยู่รอบตัวเราจะแบ่งออกเป็นสามค่ายพื้นฐานที่เฉพาะเจาะจงมาก ตัวอย่างเช่น เริ่มต้นด้วยการนำน้ำแข็งก้อนแข็งหนึ่งก้อน เมื่อถึงอุณหภูมิที่กำหนด มันจะเปลี่ยนจากน้ำแข็งเป็นน้ำแข็ง หากคุณยังคงเพิ่มอุณหภูมิต่อไป ไอน้ำก็จะก่อตัวในที่สุด

กล่าวอีกนัยหนึ่ง แต่ละโมเลกุลมีแผนภาพเฟสของตัวเอง แผนภาพนี้เป็นแผนผังประเภทหนึ่งที่แสดงถึงสิ่งที่คาดหวังจากโมเลกุลภายใต้สภาวะต่างๆ ว่ามันจะมีพฤติกรรมอย่างไรภายใต้การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ความดัน และพารามิเตอร์อื่นๆ เป็นที่ทราบกันดีว่าในแต่ละองค์ประกอบไดอะแกรมนั้นมีเอกลักษณ์เฉพาะตัวอย่างสมบูรณ์ และทั้งหมดเป็นเพราะมีความแตกต่างในระบบโมเลกุล-อะตอม ท้ายที่สุดแล้ว กระบวนการที่แตกต่างกันสามารถเกิดขึ้นได้ภายในโครงร่างนี้

สิ่งที่น่าสนใจอีกประการหนึ่งคือเมื่อการสนทนาเกี่ยวกับไฮโดรเจนเริ่มต้นขึ้น เราก็ค้นพบว่าเราไม่ได้ยินอะไรเลยเกี่ยวกับความสามารถของมันเลย บางทีปฏิกิริยาบางอย่างที่เกี่ยวข้องกับการให้ออกซิเจนแก่ธาตุนี้ แต่แม้ว่าเราจะถือว่าเขาอยู่ในสภาพโดดเดี่ยว แต่ "ความเขินอาย" สุดขีดของเขาก็ขัดขวางไม่ให้เขามีปฏิสัมพันธ์กับองค์ประกอบอื่น ๆ ที่เป็นเอกพจน์ ความจริงก็คือไฮโดรเจนมักจะรวมตัวเป็นโมเลกุล (โดยปกติจะอยู่ในรูปของก๊าซ) เกือบทุกครั้ง และหลังจากนั้นจะทำปฏิกิริยาเท่านั้น

หากสามารถเติมไฮโดรเจนลงในขวดได้ และอุณหภูมิเพิ่มขึ้นเป็น 33 เคลวิน ซึ่งก็คือ 240 องศาเซลเซียส สารนั้นจะกลายเป็นของเหลว ที่ลบสิบสี่ - ลบสองร้อยห้าสิบเก้า องศาเซลเซียส ไฮโดรเจนจะแข็งตัว

ปรากฎว่าที่อุณหภูมิสูงไฮโดรเจนควรยังคงเป็นก๊าซ แต่สิ่งนี้อยู่ภายใต้ความกดดันต่ำ หากคุณเพิ่มความดันที่อุณหภูมิสูงเท่าเดิม คุณจะพบผลลัพธ์ที่น่าสนใจมาก

พฤติกรรมจักรวาลของไฮโดรเจน

การเปลี่ยนแปลงอันน่าเหลือเชื่อของไฮโดรเจนเกิดขึ้นในอวกาศ บนโลกนี้แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะตรวจพบ ลองมาดูดาวพฤหัสบดีเป็นตัวอย่าง และที่นี่ไฮโดรเจนที่พบเริ่มแสดงคุณสมบัติที่ผิดปกติของมัน

ไฮโดรเจนแรงดันสูงตามปกติที่จมอยู่ในส่วนลึกใต้พื้นผิวที่มองเห็นได้เริ่มหลีกทางให้กับพี่น้องของมันซึ่งเป็นชั้นของลูกผสมวิกฤตยิ่งยวดระหว่างก๊าซและของเหลว กล่าวคือ สภาวะร้อนเกินไปที่จะคงสภาพเป็นของเหลว แต่มีแรงดันสูงเกินไปที่จะคงสภาพเป็นแก๊ส

แต่นี่เป็นเพียงจุดเริ่มต้นของความแปลกประหลาด หากคุณเจาะลึกลงไป คุณจะค้นพบการเปลี่ยนแปลงของสสารที่น่าทึ่งโดยสิ้นเชิง ในช่วงเวลาหนึ่ง ส่วนประกอบของไฮโดรเจนยังคงเด้งกลับเหมือนเดิม แต่ที่แรงกดดันที่เกินกว่าบนโลก พันธะไฮโดรเจนจะยังคงถูกบีบอัดต่อไป เป็นผลให้ในพื้นที่ใต้เมฆต่ำกว่าหนึ่งหมื่นสามพันกิโลเมตรมีส่วนผสมที่วุ่นวายปรากฏขึ้นซึ่งมีนิวเคลียสไฮโดรเจนอิสระแต่ละตัวอยู่ซึ่งเป็นโปรตอนเดี่ยวผสมกับอิเล็กตรอนที่ถูกปลดปล่อย ที่อุณหภูมิสูงและความดันต่ำ องค์ประกอบนี้จะกลายเป็นพลาสมา

แต่สภาพของดาวพฤหัสซึ่งมีแรงดันสูงกว่านั้นไม่ได้กระตุ้นการก่อตัวของพลาสมา แต่เป็นสิ่งที่คล้ายกับโลหะ ผลลัพธ์ที่ได้คือโลหะผลึกเหลว

นักวิทยาศาสตร์สรุปว่าไม่มีอะไรแปลกเกี่ยวกับไฮโดรเจนที่เป็นโลหะ มีเงื่อนไขง่ายๆ ที่สารที่ไม่ใช่โลหะอย่างใดอย่างหนึ่งเริ่มได้รับคุณสมบัติของโลหะ แต่ไฮโดรเจนไม่ใช่โลหะธรรมดา แต่เป็นอะตอมที่ถูกแยกออก - โปรตอน ผลลัพธ์ที่ได้คือเหมือนโลหะเหลว โปรตอนแขวนลอยอยู่ในของเหลวเหมือนเดิม และหากก่อนหน้านี้เชื่อกันว่าสิ่งนี้สามารถเกิดขึ้นกับดาวแคระได้ วันนี้กลับกลายเป็นว่าสสารสามารถแสดงคุณสมบัติดังกล่าวตรงนั้น ในระบบของเราเอง

รูปภาพของทั่งเพชรที่กำลังอัดตัวอย่างโมเลกุลไฮโดรเจน ที่ความดันสูง ไฮโดรเจนจะกลายเป็นอะตอม ดังภาพด้านขวา ที่มา: Dias & Silvera, 2017

ในปี 1935 นักวิทยาศาสตร์ Eugene Wigner และ Bell Huntington ทำนายความเป็นไปได้ในการเปลี่ยนไฮโดรเจนให้เป็นสถานะโลหะภายใต้อิทธิพลของแรงกดดันมหาศาล - 250,000 บรรยากาศ หลังจากนั้นไม่นาน มุมมองนี้ได้รับการแก้ไข ผู้เชี่ยวชาญได้เพิ่มค่าประมาณความกดดันที่จำเป็นสำหรับการเปลี่ยนเฟส ตลอดเวลานี้ เงื่อนไขการเปลี่ยนแปลงได้รับการพิจารณาว่าสามารถทำได้ และนักวิทยาศาสตร์พยายามที่จะ "ก้าวข้ามขีดจำกัด" ที่จำเป็นสำหรับการเปลี่ยนผ่านของไฮโดรเจนไปสู่ระยะใหม่ มีการใช้ไฮโดรเจนโลหะเป็นครั้งแรกในทศวรรษ 1970 มีความพยายามซ้ำแล้วซ้ำอีกในปี 1996, 2008 และ 2011 ก่อนหน้านี้มีรายงานว่าในปี 1996 นักวิทยาศาสตร์จากเยอรมนีสามารถเปลี่ยนไฮโดรเจนให้เป็นสถานะโลหะได้ภายในเสี้ยววินาที แม้ว่าจะไม่ใช่ทุกคนที่เห็นด้วยกับสิ่งนี้ก็ตาม

สำหรับความดันที่จำเป็นในการผลิตไฮโดรเจนที่เป็นโลหะ ด้วยการพัฒนากลศาสตร์ควอนตัมและฟิสิกส์โดยทั่วไป เห็นได้ชัดว่าความดันควรสูงกว่าที่คิดไว้ก่อนหน้านี้ประมาณ 20 เท่า ไม่ใช่ 25 GPa แต่เป็น 400 หรือ 500 GPa เชื่อกันว่ามีโลหะไฮโดรเจนจำนวนมากอยู่ในแกนกลางของดาวเคราะห์ยักษ์ เช่น ดาวพฤหัส ดาวเสาร์ และดาวเคราะห์นอกระบบขนาดใหญ่ เนื่องจากแรงอัดจากแรงโน้มถ่วง ควรมีแกนกลางของไฮโดรเจนที่เป็นโลหะอยู่ใต้ชั้นก๊าซ เห็นได้ชัดว่าเพื่อให้ได้แรงกดดันมหาศาล จำเป็นต้องมีเทคโนโลยีและวิธีการพิเศษ ผลลัพธ์ที่ต้องการทำได้โดยการใช้ทั่งเพชรสองอัน

ความแข็งแรงของทั่งตีเหล็กได้รับการปรับปรุงด้วยการเคลือบอะลูมิเนียมออกไซด์ ซึ่งพิสูจน์แล้วว่าอะตอมของไฮโดรเจนไม่สามารถทะลุเข้าไปได้ ตัวอย่างไฮโดรเจนถูกบีบอัดระหว่างปลายแหลมของทั่งเพชร 2 อัน และที่ความดัน 495 GPa นักวิทยาศาสตร์ประสบความสำเร็จในการเปลี่ยนตัวอย่างไปเป็นสถานะโลหะ

ที่มา: Dias & Silvera, 2017

ไม่ว่าในกรณีใด ตัวอย่างจะมืดลงก่อนแล้วจึงเริ่มสะท้อนแสง ที่ความดันค่อนข้างต่ำ ตัวอย่างจะทึบแสงและไม่นำกระแสไฟฟ้า การทดลองนี้ดำเนินการโดย Isaac Silvera และ Ranga Dias ซ้ำแล้วซ้ำอีก นักวิทยาศาสตร์สามารถเปลี่ยนไฮโดรเจนเป็นสถานะโลหะได้เป็นครั้งแรกในช่วงกลางปี ​​2559 แต่ผลการทดลองจำเป็นต้องมีการยืนยันและการทดลองซ้ำ เนื่องจากผลการทดลองเบื้องต้นได้รับการยืนยันแล้วจึงถือว่าถูกต้อง

นักวิทยาศาสตร์ได้ทำงานเพื่อผลลัพธ์ปัจจุบันมาหลายปีแล้ว ซิลเวอร์และดิแอซใช้เวลาสามปีกว่าจะถึงความดันที่ไฮโดรเจนแตกตัวเป็นอะตอมเดี่ยวๆ แรงกดดันที่เป็นปัญหาคือ 380 GPa

หลังจากนั้น แรงกดดันที่เพิ่มขึ้นบ่งบอกถึงความจำเป็นในการเสริมความแข็งแกร่งของทั่งเพชรที่ใช้ในการทดลอง เมื่อต้องการทำเช่นนี้ พวกเขาเริ่มพ่นฟิล์มอะลูมิเนียมออกไซด์บางมาก เพชรซึ่งเป็นแร่ธาตุที่แข็งที่สุดในโลกโดยไม่มีการเสริมกำลัง จะเริ่มแตกหักเมื่อความดันเพิ่มขึ้นเกิน 400 GPa

นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาเพชรมามากมาย อาจมีสาเหตุหลายประการสำหรับการทำลายล้าง - ตั้งแต่ข้อบกพร่องในโครงสร้างผลึกไปจนถึงอิทธิพลของไฮโดรเจนเองซึ่งถูกบีบอัดจนมีความหนาแน่นมหาศาล เพื่อแก้ไขปัญหาแรก ผู้เชี่ยวชาญได้ตรวจสอบโครงสร้างผลึกอย่างระมัดระวังภายใต้กล้องจุลทรรศน์ที่มีกำลังขยายสูง “เมื่อเราดูเพชรภายใต้กล้องจุลทรรศน์ เราค้นพบข้อบกพร่องที่ทำให้แร่ธาตุนี้เสี่ยงต่อปัจจัยภายนอก” ซิลเวอร์รากล่าว ปัญหาที่สองได้รับการแก้ไขโดยใช้สปัตเตอร์ซึ่งป้องกันการรั่วไหลของอะตอมและโมเลกุลของไฮโดรเจน

ยังคงเป็นเรื่องยากที่จะบอกว่าชาวอังกฤษได้รับโลหะรูปแบบใด - ของแข็งหรือของเหลว พวกเขาพบว่าเป็นการยากที่จะพูด แม้ว่าพวกเขาจะเชื่อว่าไฮโดรเจนได้ผ่านเข้าสู่สถานะโลหะเหลวแล้ว เนื่องจากสิ่งนี้ถูกทำนายโดยการคำนวณ สิ่งที่พวกเขาแน่ใจก็คือ หลังจากการบีบอัด ตัวอย่างไฮโดรเจนจะมีความหนาแน่นมากกว่าก่อนเริ่มกระบวนการถึง 15 เท่า อุณหภูมิของไฮโดรเจนที่ถูกวางไว้ในทั่งเพชรอยู่ที่ 15K หลังจากที่ธาตุผ่านเข้าสู่เฟสโลหะ ธาตุก็ถูกให้ความร้อนถึง 83 K และยังคงคุณสมบัติที่เป็นโลหะไว้ การคำนวณแสดงให้เห็นว่าไฮโดรเจนที่เป็นโลหะสามารถแพร่กระจายได้ กล่าวคือ ยังคงรักษาคุณสมบัติไว้ได้ แม้ว่าปัจจัยภายนอกที่นำไปสู่การเปลี่ยนผ่านของธาตุไปสู่สถานะโลหะจะอ่อนลงก็ตาม

ทำไมคนเราถึงต้องการไฮโดรเจนที่เป็นโลหะ? เชื่อกันว่าในสถานะนี้จะแสดงคุณสมบัติของตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง นอกจากนี้ สารประกอบไฮโดรเจนที่เป็นโลหะที่แพร่กระจายได้ยังสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงจรวดที่มีขนาดกะทัดรัด มีประสิทธิภาพ และสะอาดอีกด้วย ดังนั้น เมื่อไฮโดรเจนที่เป็นโลหะผ่านเข้าสู่เฟสโมเลกุล พลังงานจะถูกปล่อยออกมาประมาณ 20 เท่า มากกว่าการเผาไหม้ออกซิเจนและไฮโดรเจนหนึ่งกิโลกรัม - 216 MJ/kg

“เราต้องการพลังงานจำนวนมหาศาลเพื่อผลิตไฮโดรเจนที่เป็นโลหะ และถ้าคุณเปลี่ยนอะตอมโลหะไฮโดรเจนกลับเป็นสถานะโมเลกุล พลังงานทั้งหมดนั้นจะถูกปล่อยออกมา เพื่อที่เราจะได้สร้างเชื้อเพลิงจรวดที่ทรงพลังที่สุดในโลก ซึ่งจะปฏิวัติวิทยาศาสตร์จรวด” ผู้เขียนการศึกษากล่าว ในความเห็นของพวกเขา หากใช้เชื้อเพลิงใหม่จะทำให้เข้าถึงดาวเคราะห์ดวงอื่นได้ง่าย เวลาที่ใช้ในการเดินทางไปพวกเขาจะน้อยกว่าปัจจุบันมากโดยใช้เทคโนโลยีสมัยใหม่