تمكن علماء هارفارد من الحصول على الهيدروجين المعدني

صورة سندان ماس تضغط عينة من الهيدروجين الجزيئي. عند الضغط العالي ، يدخل الهيدروجين في حالة ذرية ، كما هو موضح على اليمين. المصدر: دياس وسيلفيرا، 2017

في عام 1935، والعلماء يوجين فيغنر و بيل هنتنغتون توقعإمكانية نقل الهيدروجين إلى حالة معدنية تحت تأثير الضغط الهائل هو 250 ألف الغلاف الجوي. بعد ذلك بقليل ، تم تعديل وجهة النظر هذه ؛ وزاد الخبراء تقدير الضغط المطلوب لانتقال المرحلة. طوال هذا الوقت ، اعتبرت ظروف الانتقال قابلة للتحقيق ، وحاول العلماء "اتخاذ العارضة" اللازمة لانتقال الهيدروجين إلى مرحلة جديدة. للمرة الأولى ، حاولوا الحصول على الهيدروجين المعدني في السبعينيات. جرت محاولات متكررة في 1996 و 2008 و 2011. تم الإبلاغ سابقًا أنه في عام 1996 ، تمكن علماء من ألمانيا من نقل الهيدروجين إلى حالة معدنية لجزء من الثانية ، على الرغم من عدم اتفاق الجميع مع هذا.

بالنسبة للضغط اللازم لإنتاج الهيدروجين المعدني ، مع تطور ميكانيكا الكم والفيزياء ، أصبح من الواضح بشكل عام أن الضغط يجب أن يكون أعلى بنحو 20 مرة مما كان يعتقد سابقًا - ليس 25 جيجا باسكال ، ولكن 400 أو حتى 500 جيجا باسكال. ويعتقد أن كميات كبيرة من الهيدروجين المعدني موجودة في نوى الكواكب العملاقة - المشتري وزحل والكواكب الكبيرة خارج المجموعة الشمسية. بسبب ضغط الجاذبية ، يجب أن يكون قلب الهيدروجين المعدني تحت طبقة الغاز. من الواضح أنه من أجل الحصول على ضغط هائل ، هناك حاجة إلى تقنيات وأساليب خاصة. اتضح تحقيق المطلوب من خلال استخدام سندان ماسي.

تم تعزيز قوة السندان عن طريق الاخرق من الألومينا ، والتي كانت منيعة لذرات الهيدروجين. تم ضغط عينة هيدروجينية بين النهايات المدببة لسندان ماسيين ، وبضغط يبلغ 495 جيجا باسكال ، حقق العلماء انتقال العينة إلى المرحلة المعدنية.


المصدر: Dias & Silvera، 2017

على أي حال ، كانت العينة مظلمة أولاً ، ثم بدأت تعكس الضوء. في مؤشرات الضغط المنخفض نسبيًا ، كانت العينة غير شفافة ؛ لم يتم إجراء التيار. تم تكرار تجربة إسحاق سيلفيرا ورانغا دياس. لأول مرة ، تمكن العلماء من نقل الهيدروجين إلى المرحلة المعدنية في منتصف عام 2016. ولكن نتائج التجربة تحتاج إلى تأكيد وتجربة متكررة. منذ تأكيد نتائج التجربة الأولية ، يمكن اعتبارها صحيحة.

لقد ذهب العلماء إلى النتيجة الحالية لعدة سنوات. استغرق الأمر ثلاث سنوات فقط لـ Silver و Diaz لتحقيق الضغط الذي يتحلل فيه الهيدروجين إلى ذرات فردية. الضغط المطلوب هو 380 جيغا باسكال.

بعد هذه الزيادة في الضغط ضمنت الحاجة إلى تعزيز قوة سندان الماس ، التي تم استخدامها في التجربة. للقيام بذلك ، بدأوا في رش أنحف فيلم من أكسيد الألومنيوم. بدون زيادة القوة ، يبدأ الماس ، الذي يعد أقوى المعادن على الأرض ، في الانهيار عندما يرتفع الضغط فوق 400 جيجا باسكال.

قام العلماء بالكثير من العمل في دراسة الماس. يمكن أن يكون هناك عدة أسباب للتدمير - من العيوب في بنية البلورة إلى تأثير الأكثر ضغطًا إلى الكثافة الهائلة للهيدروجين. من أجل حل المشكلة الأولى ، فحص المتخصصون بعناية الهياكل البلورية تحت المجهر عالي التكبير. قالت سيلفيرا: "عندما نظرنا إلى الماس تحت المجهر ، وجدنا عيوبًا تجعل هذا المعدن عرضة للعوامل الخارجية". تم حل المشكلة الثانية عن طريق الرش ، والذي يمنع تسرب الذرات وجزيئات الهيدروجين.

من الصعب القول حتى الآنما شكل المعدن الذي حصل عليه البريطانيون - صلب أم سائل. يجدون صعوبة في القول ، على الرغم من أنهم يعتقدون أن الهيدروجين قد انتقل إلى مرحلة المعدن السائل ، حيث أن ذلك يتوقعه الحساب. ما هم متأكدون منه هو أن عينة الهيدروجين بعد الضغط أصبحت أكثر كثافة 15 مرة مما كانت عليه قبل بدء هذا الإجراء. كانت درجة حرارة الهيدروجين ، التي تم وضعها في سندان الماس ، 15K. بعد انتقال العنصر إلى الطور المعدني ، تم تسخينه إلى 83 كلفن ، واحتفظ بخصائصه المعدنية. تظهر الحسابات أن الهيدروجين المعدني يمكن أن يكون قابلاً للتبديل ، أي الاحتفاظ بخصائصه حتى بعد إضعاف العوامل الخارجية التي أدت إلى انتقال العنصر إلى الطور المعدني.

لماذا يحتاج الإنسان إلى الهيدروجين المعدني؟ ويعتقد أنه في هذه الحالة يعرض خصائص الموصل الفائق عالي الحرارة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام مركبات الهيدروجين المعدنية المنقولة كوقود صاروخي مضغوط وفعال ونظيف. لذلك ، عندما يمر الهيدروجين المعدني إلى المرحلة الجزيئية ، يتم إطلاق طاقة أكثر من 20 مرة تقريبًا من حرق كيلوغرام من مزيج من الأكسجين والهيدروجين - 216 ميجا جول / كجم.

"لإنتاج الهيدروجين المعدني ، كنا بحاجة إلى كمية هائلة من الطاقة. وقال مؤلفو الدراسة: "إذا نقلت الهيدروجين المعدني الذري إلى حالة جزيئية مرة أخرى ، فسيتم إطلاق كل هذه الطاقة ، حتى نتمكن من الحصول على أقوى وقود صاروخي في العالم ، الأمر الذي سيحدث ثورة في علم الصواريخ". في رأيهم ، فإن الوقود الجديد ، إذا تم استخدامه ، سيجعل من السهل الوصول إلى الكواكب الأخرى. سيقضي وقت السفر إليهم أقل بكثير من الآن ، باستخدام التكنولوجيا الحديثة.

دوى: 10.1126 / science.aal1579

Source: https://habr.com/ru/post/ar401121/