Cientistas de Harvard conseguiram obter hidrogênio metálico

Imagem de bigornas de diamante comprimindo uma amostra de hidrogênio molecular. Em alta pressão, o hidrogênio entra em um estado atômico, como mostrado à direita. Fonte: Dias & Silvera, 2017

Em 1935, os cientistas Eugene Wigner e Bell Huntington previram a possibilidade de transferir o hidrogênio para um estado metálico sob a influência de uma tremenda pressão - 250 mil atmosferas. Um pouco mais tarde, esse ponto de vista foi revisado: os especialistas aumentaram a estimativa da pressão necessária para a transição de fase. Durante todo esse tempo, as condições de transição foram consideradas alcançáveis, e os cientistas tentaram "levar a barra" necessária para a transição do hidrogênio para uma nova fase. Pela primeira vez, eles tentaram obter hidrogênio metálico na década de 1970. Tentativas repetidas foram feitas em 1996, 2008 e 2011. Foi relatado anteriormente que, em 1996, cientistas da Alemanha conseguiram transferir hidrogênio para um estado metálico por uma fração de microssegundo, embora nem todos concordem com isso.

Quanto à pressão necessária para produzir hidrogênio metálico, com o desenvolvimento da mecânica quântica e da física, ficou claro que a pressão deveria ser cerca de 20 vezes maior do que se pensava anteriormente - não 25 GPa, mas 400 ou mesmo 500 GPa. Acredita-se que grandes quantidades de hidrogênio metálico estejam presentes nos núcleos de planetas gigantes - Júpiter, Saturno e grandes planetas extra-solares. Devido à compressão gravitacional, um núcleo de hidrogênio metálico deve estar sob a camada de gás. É claro que, para receber pressão gigantesca, são necessárias tecnologias e métodos especiais. Acabou por alcançar o desejado através do uso de duas bigornas de diamante.

A força da bigorna foi aumentada pela pulverização de alumina, que era impermeável aos átomos de hidrogênio. Uma amostra de hidrogênio foi comprimida entre as extremidades pontiagudas de duas bigornas de diamante e, a uma pressão de 495 GPa, os cientistas conseguiram a transição da amostra para a fase metálica.


Fonte: Dias & Silvera, 2017

De qualquer forma, a amostra primeiro escureceu e depois começou a refletir a luz. A índices de pressão relativamente baixos, a amostra era opaca e não conduzia corrente. O experimento de Isaac Silvera e Ranga Dias foi repetido. Pela primeira vez, os cientistas conseguiram transferir hidrogênio para a fase de metal em meados de 2016. Mas os resultados do experimento precisavam de confirmação, experimento repetido. Como os resultados do experimento inicial foram confirmados, eles podem ser considerados corretos.

Os cientistas chegaram ao resultado atual por vários anos. Levou apenas três anos para Silver e Diaz atingirem a pressão na qual o hidrogênio se decompõe em átomos individuais. A pressão em questão é de 380 GPa.

Após esse aumento de pressão, foi necessário reforçar a força das bigornas de diamante, usadas no experimento. Para fazer isso, eles começaram a pulverizar o filme mais fino de óxido de alumínio. Sem força aumentada, os diamantes, que são os minerais mais difíceis da Terra, começam a quebrar quando a pressão sobe acima de 400 GPa.

Os cientistas fizeram muito trabalho no estudo de diamantes. Pode haver várias razões para a destruição - de defeitos na estrutura do cristal à influência dos mais comprimidos à enorme densidade de hidrogênio. Para resolver o primeiro problema, os especialistas verificaram cuidadosamente as estruturas cristalinas sob um microscópio de alta ampliação. "Quando olhamos para o diamante ao microscópio, encontramos defeitos que tornam esse mineral vulnerável a fatores externos", disse Silvera. O segundo problema foi resolvido por pulverização, que neutraliza o vazamento de átomos e moléculas de hidrogênio.

Ainda é difícil dizer de que forma o metal recebeu os britânicos - sólido ou líquido. Eles acham difícil dizer, embora acreditem que o hidrogênio tenha passado para a fase do metal líquido, uma vez que isso é previsto por cálculos. O que eles têm certeza é que a amostra de hidrogênio após a compressão se tornou 15 vezes mais densa do que antes do início deste procedimento. A temperatura do hidrogênio, colocada em uma bigorna de diamante, era de 15K. Após a transição do elemento para a fase metálica, foi aquecido a 83 K e manteve suas propriedades metálicas. Os cálculos mostram que o hidrogênio metálico pode ser metaestável, ou seja, reter suas propriedades mesmo depois que fatores externos que levaram à transição do elemento para a fase metálica foram enfraquecidos.

Por que o homem precisa de hidrogênio metálico? Acredita-se que neste estado exiba as propriedades de um supercondutor de alta temperatura. Além disso, compostos de hidrogênio metálico metaestável podem ser usados ​​como um combustível de foguete compacto, eficiente e limpo. Assim, quando o hidrogênio metálico entra na fase molecular, aproximadamente 20 vezes mais energia é liberada do que quando se queima um quilograma de uma mistura de oxigênio e hidrogênio - 216 MJ / kg.

“Para produzir hidrogênio metálico, precisávamos de uma quantidade enorme de energia. E se você transferir novamente o hidrogênio metálico atômico para um estado molecular, toda essa energia será liberada, para que possamos obter o combustível de foguete mais poderoso do mundo, o que revolucionará a ciência de foguetes ”, disseram os autores do estudo. Na opinião deles, o novo combustível, se usado, facilitará o alcance de outros planetas. O tempo para viajar até eles será gasto muito menos do que agora, usando a tecnologia moderna.

DOI: 10.1126 / science.aal1579