Raset for å slå Gassy Hydrogen i Solid Metal


En kunstnerisk fremstilling av et hydrogenmolekyl under komprimering ved bruk av motstående diamantambolleanordninger. Det eksperimentelle arbeidet utforsker utviklingen av hydrogen fra sin omgivende dielektriske molekylstat (gjennomsiktige molekyler) til begynnelsen av sin foreslåtte trykkinducerte metallisering (metalliske atomer).

En kunstnerisk fremstilling av et hydrogenmolekyl under komprimering ved bruk av motstående diamantambolleanordninger. Det eksperimentelle arbeidet utforsker utviklingen av hydrogen fra sin omgivende dielektriske molekylstat (gjennomsiktige molekyler) til begynnelsen av sin foreslåtte trykkinducerte metallisering (metalliske atomer).

Forskere er på reise for å avdekke ledetråder om hydrogenets mest ugjennomtrengelige fasefaste metalliske hydrogen. Prisen for å oppdage det kan være romtemperatur superledningsevne - en verden først. Men forskergrupper tar forskjellige veier til det samme målet, med noen som stiller spørsmål om hva de vil finne om de noen gang kommer dit.

Konseptet med et hydrogenmetall ble først foreslått i 1935 av Eugene Wigner og Hillard Bell Huntingdon, som teoriserte at under et sterkt trykk vil et molekylært hydrogengitter bryte seg fra atomvannet med elektroner som strømmer fritt gjennom materialet. Begge var enige om at denne tilstanden bare ville avsløre seg om hydrogen ble plassert under et trykk på minst 25GPa.

Det er et ganske beskjedent estimat ved dagens standarder, ifølge Eugene Gregoryanz fra University of Edinburgh, Storbritannia, hvis gruppe oppdaget en metallisk hydrogenforløper i januar 2016. «De hadde ingen anelse om hvordan komprimerbart hydrogen er, » sier Gregoryanz.He bemerker at forskere allerede har truffet trykk 10 ganger større enn 25GPa, og det er fortsatt ingen tegn på hydrogenets metalliske tilstand.

Mikrofokusert Raman-spektroskopi av hydrogen ved hjelp av en diamantambolcelle for å utøve trykk på over 3, 5 millioner atmosfærer og motstandsoppvarming til en temperatur på 475 K.

Status på spill

Gregoryanzs gruppe utforsker hydrogenstilstandene ved romtemperatur ved å plassere gassen mellom de flattede spissene på to diamanter. Tippene blir sakte samlet i en diamantambola (DAC), med celleens temperatur holdt på 300K. Ved hjelp av denne metoden har teamet oppnådd rapporterte trykk på opptil 388GPa-trykk som vanligvis er reservert for planetens sentrum - men de er fremdeles ennå ikke å finne metallisk hydrogen.

Ved å undersøke trykket hydrogen ved hjelp av Raman-spektroskopi, kan Gregoryanz og hans kolleger imidlertid avsløre elementets transformasjon. Gassen overganger først til flytende molekylært hydrogen før det raskt vedtas en fast form. Etter hvert som trykket bygger, omsettes hydrogenmolekylene fra et distinkt krystallarrangement til et annet, men metallfasen forblir uklar.

Forskere har avdekket flere faser av solid hydrogen så langt. For det meste ser disse strukturene ut som felles krystallarrangementer av tyngre forbindelser. Opp til trykk på rundt 180GPa, ved romtemperatur faller roterende hydrogenmolekyler i et løs sekskantet gitter kjent som fase I-hydrogen. Fase III former etter en liten komprimering utover 180GPa og kovalente bindinger forankrer molekylene i sekskantede trimerer. Hvis du klarer å bære det enda lenger, vil fase IV dukke opp ved 230GPa, og fritt roterende hydrogenmolekyler vil glide inn mellom trimerlagene. Men alle disse fasene er molekylære ordninger som ikke har noe forhold til et metallisk materiale.

Tidligere i år identifiserte Gregoryanzs lag en femte fase over 325GPa. Forskerne foreslår at denne fasen er delvis dissociert molekylært hydrogen, noe som muligens ligner, delvis, strukturen i fase IV. Dette er tantalizing for forskere: en ytterligere klemme kan gjøre denne fasen V solid i atomisk metallisk hydrogen.

Fine marginer

En kunstnerisk fremstilling av et hydrogenmolekyl under komprimering ved bruk av motstående diamantambolleanordninger. Det eksperimentelle arbeidet utforsker utviklingen av hydrogen fra sin omgivende dielektriske molekyltilstand gjennom til starten av sin foreslåtte trykkinducerte metallisering.

Men en gruppe hevder at de allerede har sett fasen utover fase V, og det kan være metallisk i naturen. I en lignende oppstilling, men å plassere hydrogensulfid under ambolten i motsetning til ren hydrogengass, annonserte Mikhail Eremets og hans kollegaer på Max Planck Institute for Chemistry, Tyskland, i januar 2016, en uke etter Edinburgh-gruppens publisering, at fase V vises ved et lavere trykk på 270GPa. De deklarerte også fase VI-hydrogenformer over 360GPa, om enn under 200K.

"Vi hevdet at vi fant ikke bare to faser, men en av fasene er ledende hydrogen, " sier Eremets, som mener fase VI er sannsynligvis metallisk.

Det gjenstår å se om samfunnet kan bekrefte denne nye fasen. Men å håndtere slik usikkerhet er en vanskelig oppgave, og i lys av de ekstreme forholdene i en diamantamme, er det vanskelig å bekrefte resultater, ifølge Gregoryanz. "Det er ekstremt vanskelig å replikere - det er ikke mange grupper som kan laste hydrogen inn i en DAC, " sier han. 'Da må du ha et optisk oppsett av ekstremt god kvalitet.'

Hvis ikke, risikerer forskere å gå på kompromiss med eksperimentet. «Når du kommer til 400GPa, snakker du om en prøvestørrelse på 2 mikron, » forklarer Gregoryanz. Med en så liten prøvestørrelse er det uunngåelig at det innkommende laserlyset for Raman-analysen vil bli delvis absorbert av diamantene. Hvis laseren ikke brukes sparsomt, vil den raskt varme opp den dyrebare ambolten, og diamantene kan brytes fra hverandre i cellen, ifølge Gregoryanz.

Diamanter er for alltid

Men noen grupper tar kanskje en risiko ved å bruke lasere til å varme opp hydrogenet, for eksempel Isaac Silvera og hans kolleger ved Harvard University i USA. Dette setter dem på en annen vei til metallisk hydrogen enn Gregoryanz og Eremets 'grupper.

«Du kan [ta hydrogen] for å si [100-200MPa] ... og deretter varme det opp til væskefasen, sier Silvera. Ved å plassere hydrogengass under "beskjeden" trykk ved romtemperatur vil det vedta en solid form, hvorpå Silvera og kollegene hans rammer opp temperaturen for å produsere en væske. Han fortsetter å forklare at det vil være et punkt når denne væskeformige molekylfasen forvandler seg til en væsketatomisk tilstand, som skal oppføre seg som et metall.

For å oppnå dette, blir hydrogen igjen trykket i en diamantamme, men med en viktig forskjell i oppsettet, er en semi-gjennomsiktig wolframfilm belagt på diamanttippene. Ved å oppvarme filmens brukerspulser kan teamet raskt varme opp hydrogenet, mens det også brukes lys for å undersøke hydrogenets refleksjon og transmittans. De anslår at hydrogen kan varmes opp til 2200K.

Silvera hevder at de korte laserpulser ikke vil ødelegge diamantene, og i gjennomsnitt vil de forbli ved romtemperatur. "Hvis du varmer i noen hundre nanosekunder, er det nok tid for termisk likevekt, " sier han. "Vi har vært veldig heldige - vi mister tapt diamanter."

Dette har gitt dem muligheten til å jobbe i et domene som også blir probed av Sandia National Labs Z-maskin, en elektrisk pulsgenerator som kan produsere 27 millioner ampere, hvor deuterium er utsatt for ekstreme støtbølger og magnetfelt.

Ved å bruke en ydmyk diamantmote, har Silveras gruppe imidlertid observert en kraftig økning i mengden lys reflektert av hydrogen ved disse høye temperaturer, en typisk indikator for en overgang fra isolator til metall. Men laget kan ikke fast fastslå at de har avdekket rent atom metallisk hydrogen enda ennå.

Den siste grensen

For Gregoryanz er disse foreløpige skrittene inn i det ukjente, spennende, men han er ikke sikker på hva denne søken til slutt vil avdekke. Han forklarer at ved så høyt trykk kan metall hydrogen bare eksistere som en superfluid-en eksotisk, friksjonsløs tilstand av materie. Etter hvert som trykket er rammet opp, har hydrogenatomer mer og mer energi, og dette kan sette stabile faste forhold for alltid uten rekkevidde.

Hvis metallisk hydrogen er superfluid, kan forskere ha et materiale på sine hender som tåler forståelse. 'Alle superledere som vi kjenner [er] solide ... og alle superfluider er isolatorer, ' sier Gregoryanz. "Dette flytende hydrogenet ville være en superleder og superfluid på samme tid - ingenting som dette har blitt observert."

Gitt de utforsker grensene for høytrykksvitenskap, er fellesskapet ikke villig til å utelukke faststoff metallisk hydrogen. Men en ting er sikkert, ifølge Gregoryanz. 'Du må være veldig, veldig forsiktig med hva du sier og hvordan du sier det, ' sier han. "Så mange mennesker lure seg selv - det er utrolig."

Denne artikkelen er reprodusert med tillatelse fra Kjemi World. Artikkelen ble først publisert 30. mars 2016.

Mystisk Honeybee Disappearance Linked to Rare VirusTordenvær forsinkelser SpaceX Rocket Landing ForsøkHva forteller Nordkoreas nyeste kjernekompetanse oss om atomkreftene sine?Droner Lær å svømme [Video]Hvordan kan forbrukerne finne ut om et selskap er "grønnvasket" miljømessig usynlig praksis?Luftbåren analyse av brennende Amazoneskoger kunne lukke klimamodelleneI varmt vann: istid oppløst av oppvarmende hav, ikke økning i CO2Hvordan løse kampen om teleskoper på Mauna Kea