Harvard-Wissenschaftler haben es geschafft, metallischen Wasserstoff zu erhalten

Bild von Diamantambossen, die eine Probe von molekularem Wasserstoff komprimieren. Bei hohem Druck geht Wasserstoff in einen atomaren Zustand über, wie rechts gezeigt. Quelle: Dias & Silvera, 2017

1935 sagten die Wissenschaftler Eugene Wigner und Bell Huntington die Möglichkeit voraus , Wasserstoff unter dem Einfluss eines enormen Drucks in einen metallischen Zustand zu überführen - 250.000 Atmosphären. Wenig später wurde dieser Standpunkt überarbeitet, und Experten erhöhten die Schätzung des für den Phasenübergang erforderlichen Drucks. Während dieser ganzen Zeit wurden die Übergangsbedingungen als erreichbar angesehen, und die Wissenschaftler versuchten, die für den Übergang von Wasserstoff in eine neue Phase erforderlichen Maßstäbe zu setzen. Zum ersten Mal versuchten sie in den 1970er Jahren, metallischen Wasserstoff zu gewinnen. Wiederholte Versuche wurden 1996, 2008 und 2011 unternommen. Es wurde bereits berichtet, dass es Wissenschaftlern aus Deutschland 1996 gelungen ist, Wasserstoff für den Bruchteil einer Mikrosekunde in einen metallischen Zustand zu überführen, obwohl nicht alle damit einverstanden sind.

In Bezug auf den Druck, der zur Erzeugung von metallischem Wasserstoff benötigt wird, wurde mit der Entwicklung der Quantenmechanik und -physik allgemein klar, dass der Druck etwa 20-mal höher sein sollte als bisher angenommen - nicht 25 GPa, sondern 400 oder sogar 500 GPa. Es wird angenommen, dass große Mengen an metallischem Wasserstoff in den Kernen von Riesenplaneten vorhanden sind - Jupiter, Saturn und großen extrasolaren Planeten. Aufgrund der Gravitationskompression sollte sich ein Kern aus metallischem Wasserstoff unter der Gasschicht befinden. Es ist klar, dass spezielle Technologien und Methoden erforderlich sind, um gigantischen Druck zu erhalten. Es stellte sich heraus, dass das gewünschte durch die Verwendung von zwei Diamantambossen erreicht wurde.

Die Festigkeit des Ambosses wurde durch Sputtern aus Aluminiumoxid erhöht , das für Wasserstoffatome undurchlässig war. Eine Wasserstoffprobe wurde zwischen den spitzen Enden zweier Diamantambosse komprimiert, und bei einem Druck von 495 GPa erreichten die Wissenschaftler den Übergang der Probe in die Metallphase.


Quelle: Dias & Silvera, 2017

In jedem Fall verdunkelte sich die Probe zuerst und begann dann, Licht zu reflektieren. Bei relativ niedrigen Druckindizes war die Probe undurchsichtig und leitete keinen Strom. Das Experiment von Isaac Silvera und Ranga Dias wurde wiederholt. Zum ersten Mal gelang es den Wissenschaftlern Mitte 2016, Wasserstoff in die Metallphase zu übertragen. Die Ergebnisse des Experiments mussten jedoch bestätigt und wiederholt werden. Da die Ergebnisse des ersten Experiments bestätigt wurden, können sie als korrekt angesehen werden.

Wissenschaftler sind seit mehreren Jahren zum aktuellen Ergebnis übergegangen. Es dauerte nur drei Jahre, bis Silver und Diaz den Druck erreichten, bei dem Wasserstoff in einzelne Atome zerfällt. Der fragliche Druck beträgt 380 GPa.

Nach diesem Druckanstieg musste die Festigkeit der im Experiment verwendeten Diamantambosse verstärkt werden. Dazu sprühten sie den dünnsten Aluminiumoxidfilm. Ohne erhöhte Festigkeit beginnen Diamanten, die die härtesten Mineralien der Erde sind, zusammenzubrechen, wenn der Druck über 400 GPa steigt.

Wissenschaftler haben viel an der Untersuchung von Diamanten gearbeitet. Es könnte mehrere Gründe für die Zerstörung geben - von Defekten in der Struktur des Kristalls über den Einfluss des am stärksten komprimierten bis hin zur enormen Wasserstoffdichte. Um das erste Problem zu lösen, überprüften Spezialisten die Kristallstrukturen sorgfältig unter einem Mikroskop mit hoher Vergrößerung. "Als wir den Diamanten unter einem Mikroskop betrachteten, fanden wir Defekte, die dieses Mineral für äußere Faktoren anfällig machen", sagte Silvera. Das zweite Problem wurde durch Sprühen gelöst, das dem Austreten von Atomen und Wasserstoffmolekülen entgegenwirkt.

Es ist immer noch schwer zu sagen, in welcher Form das Metall die Briten erhalten hat - fest oder flüssig. Sie finden es schwierig zu sagen, obwohl sie glauben, dass Wasserstoff in die Phase des flüssigen Metalls übergegangen ist, da dies durch Berechnungen vorhergesagt wird. Sie sind sich sicher, dass die Wasserstoffprobe nach der Kompression 15-mal dichter wurde als vor Beginn dieses Verfahrens. Die Temperatur von Wasserstoff, der in einen Diamantamboss gegeben wurde, betrug 15 K. Nach dem Übergang des Elements in die Metallphase wurde es auf 83 K erhitzt und behielt seine metallischen Eigenschaften bei. Berechnungen zeigen, dass metallischer Wasserstoff metastabil sein kann, dh seine Eigenschaften auch dann beibehält, wenn externe Faktoren, die zum Übergang des Elements in die metallische Phase führten, geschwächt sind.

Warum braucht der Mensch metallischen Wasserstoff? Es wird angenommen, dass es in diesem Zustand die Eigenschaften eines Hochtemperatursupraleiters aufweist. Darüber hinaus können metastabile metallische Wasserstoffverbindungen als kompakter, effizienter und sauberer Raketentreibstoff verwendet werden. Wenn metallischer Wasserstoff in die molekulare Phase eintritt, wird ungefähr 20-mal mehr Energie freigesetzt als beim Verbrennen eines Kilogramms eines Gemisches aus Sauerstoff und Wasserstoff - 216 MJ / kg.

„Um metallischen Wasserstoff zu produzieren, brauchten wir viel Energie. Und wenn Sie atomaren metallischen Wasserstoff wieder in einen molekularen Zustand überführen, wird all diese Energie freigesetzt, damit wir den stärksten Raketentreibstoff der Welt erhalten, der die Raketenwissenschaft revolutionieren wird “, sagten die Autoren der Studie. Ihrer Meinung nach wird der neue Treibstoff, wenn er verwendet wird, es einfacher machen, andere Planeten zu erreichen. Die Zeit, um zu ihnen zu reisen, wird mit moderner Technologie viel weniger als jetzt verbracht.

DOI: 10.1126 / science.aal1579