Kovový vodík

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 9. září 2020; kontroly vyžadují 34 úprav .

Kovový vodík  je soubor fázových stavů vodíku , který je pod extrémně vysokým tlakem a prošel fázovým přechodem . Kovový vodík je degenerovaný stav hmoty a podle některých předpokladů může mít některé specifické vlastnosti – vysokoteplotní supravodivost a vysoké měrné teplo fázového přechodu.

Teoreticky předpověděl v roce 1935 Hillard Huntington a Eugene Wigner .

Historie výzkumu

Ve třicátých letech minulého století britský vědec John Bernal navrhl, že atomový vodík, sestávající z jednoho protonu a jednoho elektronu a představující úplný analog alkalických kovů , by mohl být stabilní při vysokých tlacích [1] . V roce 1935 Eugene Wigner a Hillard Bell Huntington provedli odpovídající výpočty. Bernalova hypotéza se potvrdila - podle výpočtů přechází molekulární vodík do atomové kovové fáze při tlaku asi 250 tisíc atmosfér (25 GPa ) s výrazným nárůstem hustoty [2] . Následně byl zvýšen odhad tlaku potřebného pro fázový přechod, ale podmínky přechodu jsou stále považovány za potenciálně dosažitelné. Predikce vlastností kovového vodíku se provádí teoreticky. Pod vedením akademika L. F. Vereščagina byl poprvé na světě získán kovový vodík, zpráva o tom byla zveřejněna v roce 1975 [3] . Experiment byl mnohokrát opakován, při vysokých tlacích (při 304 GPa) a nízkých teplotách (až 4,2 K) získal vodík elektrickou vodivost (odpor se snížil nejméně o 1 milionkrát), když byl vzorek zahříván a tlak byl snížen vodík získal stejné vlastnosti. Na toto téma byly také zprávy v letech 1996, 2008 a 2011, dokud v roce 2017 profesor Isaac Silvera a jeho kolega Ranga Diaz nedosáhli stabilního vzorku při tlaku 5 milionů atmosfér [4] [5] [1] , komora, kde byl vzorek uložen, se však pod tlakem zhroutila a vzorek se ztratil.

Vztah k jiným oblastem fyziky

Astrofyzika

Předpokládá se, že velké množství kovového vodíku je přítomno v jádrech obřích planet  - Jupiteru, Saturnu - a velkých exoplanet . Kvůli gravitační kompresi by pod vrstvou plynu mělo být jádro z kovového vodíku.

Teoretické vlastnosti

Přechod do kovové fáze

Když se vnější tlak zvýší na desítky GPa, skupina atomů vodíku začne vykazovat kovové vlastnosti. Vodíková jádra ( protony ) se k sobě přibližují mnohem blíže, než je Bohrův poloměr , na vzdálenost srovnatelnou s de Broglieho vlnovou délkou elektronů. Vazebná síla elektronu s jádrem se tak stává nelokalizovanou, elektrony jsou slabě vázány na protony a tvoří volný elektronový plyn stejně jako v kovech.

Kapalný kovový vodík

Kapalná fáze kovového vodíku se liší od pevné fáze v nepřítomnosti dálkového řádu . Diskutuje se o přijatelném rozmezí pro existenci kapalného kovového vodíku. Na rozdíl od helia-4 , které je kapalné při teplotách nižších než 4,2  K a normálním tlaku díky energii nulového bodu s nulovým bodem , má pole hustě zabalených protonů významnou energii nulového bodu. Přechod z krystalické do neuspořádané fáze se tedy očekává při ještě vyšších tlacích. Studie N. Ashcrofta připouští oblast kapalného kovového vodíku o tlaku asi 400 GPa a nízkých teplotách [6] [7] . V jiných pracích E. Babaev navrhuje, že kovový vodík může být kovovou supratekutou kapalinou [8] [9] .

Supravodivost

V roce 1968 Neil Ashcroft navrhl, že kovový vodík by mohl být supravodivý při relativně vysokých teplotách [10] .

Přesnější výpočty [11] ( N. A. Kudryashov , A. A. Kutukov, E. A. Mazur, JETP Letters, sv. 104, vydání 7, 2016, str. 488) ukázaly, že kritická teplota kovového vodíku ve fázi I41/AMD, stejné studované [4] Ranga Diaz a Isaac Silvera při tlaku 5 milionů atmosfér udává supravodivou přechodovou teplotu 215 kelvinů , tj. -58 stupňů Celsia.

Experimentální pokusy získat

Experimenty v 70. letech

Pod vedením akademika L. F. Vereščagina byl poprvé na světě získán kovový vodík, zpráva o tom byla zveřejněna v roce 1975 [3] . Experiment byl proveden pomocí diamantových kovadlin. Experiment byl mnohokrát opakován, při vysokých tlacích (při 304 GPa) a nízkých teplotách (až 4,2 K) získal vodík elektrickou vodivost (odpor se snížil nejméně o 1 milionkrát), když byl vzorek zahříván a tlak byl snížen vodík získal stejné vlastnosti.

Metalizace vodíku šokovou kompresí v roce 1996

V roce 1996 Livermore National Laboratory oznámila, že výzkum vytvořil podmínky pro metalizaci vodíku a poskytl první důkaz o její možné existenci [12] . Na krátkou dobu (asi 1 ms) bylo dosaženo tlaku více než 100 GPa ( atm.), teploty v řádu tisíců kelvinů a hustoty látky asi 600 kg/m 3 [13] . Protože předchozí experimenty se stlačováním pevného vodíku v článku s diamantovými kovadlinami na 250 GPa nepřinesly žádné výsledky, nebylo účelem experimentu získat kovový vodík, ale pouze studium vodivosti vzorku pod tlakem. Po dosažení 140 GPa však elektrický odpor prakticky zmizel. Pásmová mezera vodíku pod tlakem byla 0,3 eV , což se ukázalo být srovnatelné s tepelnou energií odpovídající 3000 K, což ukazuje na přechod „polovodič-kov“.

Výzkum od roku 1996

Pokračovaly pokusy převést vodík do kovového stavu statickou kompresí při nízkých teplotách. A. Ruoff a C. Narayana ( Cornell University , 1998) [14] , P. Louvier a R. Lethule (2002) se postupně přiblížili tlakům pozorovaným ve středu Země (324-345 GPa), ale stále nepozorovali fázový přechod.

Experimenty v roce 2008

Teoreticky předpovězené maximum křivky tání na fázovém diagramu, udávající tekutou kovovou fázi vodíku, experimentálně objevili S. Deemyad a I. Silvera [15] . Skupina M. Eremetze oznámila přechod silanu do kovového stavu a projev supravodivosti [16] , ale výsledky se neopakovaly [17] [18] .

Experimenty v roce 2011

V roce 2011 bylo hlášeno pozorování kapalné kovové fáze vodíku a deuteria při statickém tlaku 260–300 GPa [19] , což opět vyvolalo otázky ve vědecké komunitě [20] .

Experimenty v roce 2015

Dne 26. června 2015 vyšel v časopise Science článek , který popisuje úspěšný experiment skupiny výzkumníků ze Sandia National Laboratories (USA) společně se skupinou z University of Rostock (Německo) ke kompresi kapalného deuteria ( těžký vodík) pomocí Z-Machine do stavu, který vykazuje vlastnosti kovu [21] .

Experimenty v roce 2016

V červenci 2016 bylo oznámeno, že fyzikům z Harvardské univerzity se podařilo získat kovový vodík v laboratoři. Zahřáli kapalný vodík pomocí krátkých záblesků laseru na teplotu asi 1900 stupňů Celsia a podrobili jej tlaku 1,1-1,7 megabarů [22] .

Očekává se, že tato látka bude metastabilní, to znamená, že po odstranění tlaku zůstane kovem. Experiment fyziků pomáhá vysvětlit, jaké procesy mohou probíhat v útrobách plynných obrů. Vědci naznačují, že v budoucnu může být kovový vodík použit jako raketové palivo nebo jako supravodič schopný existovat při pokojové teplotě [23] .

Vědecká komunita byla k této novince skeptická [24] , očekávala re-experiment [25] .

2018 experimenty s kovovým deuteriem

V srpnu 2018 vědci oznámili pozorování rychlého přechodu kapalného deuteria na kovovou formu při teplotách pod 200 K. Pozoruhodná shoda byla nalezena mezi experimentálními daty a teoretickými předpověďmi založenými na simulacích využívajících kvantovou metodu Monte Carlo , která je považována za nejvíce dodnes přesná metoda. To by mohlo výzkumníkům pomoci lépe porozumět nitru plynných obrů, jako je Jupiter, Saturn a různých exoplanet mimo sluneční soustavu [26] [27] .

Experimenty v roce 2020

V lednu 2020 francouzští fyzici potvrdili podmínky pro existenci kovového vodíku, jak ukázaly jejich experimenty, k přechodu vodíku do kovového stavu dochází při tlaku 4,18 milionů atmosfér [28] [29] .

Potenciální aplikace

palivové články

Metastabilní sloučeniny kovového vodíku jsou slibné jako kompaktní, účinné a čisté palivo. Při přechodu kovového vodíku do obvyklé molekulární fáze se uvolní 20x více energie než při spalování směsi kyslíku a vodíku - 216 MJ/kg [30] .

Vysokoteplotní supravodiče

Podle mnoha teoretických modelů by měl mít kovový vodík velmi vysokou kritickou teplotu T c , pokud se tento předpoklad experimentálně potvrdí, pak kovový vodík jako supravodič najde uplatnění v mnoha oblastech.

V umění

Poznámky

  1. ↑ 1 2 Sergey Stishov . Praktické využití kovového vodíku je třeba připsat sci -fi
  2. ↑ Wigner, E.; Huntington, HB O možnosti kovové modifikace vodíku //  Journal of Chemical Physics. - 1935. - Sv. 3 , ne. 12 . — S. 764 . - doi : 10.1063/1.1749590 .  
  3. ↑ 1 2 Vereshchagin L. F., Jakovlev E. N., Timofeev Yu. A. "Možnost přechodu vodíku do vodivého stavu" UFN 117 183–184 (1975) . Získáno 29. července 2021. Archivováno z originálu dne 29. července 2021.
  4. ↑ 1 2 Ranga P. Dias, Isaac F. Silvera. Pozorování Wigner-Huntingtonova přechodu na kovový vodík   // Věda . — 2017-01-26. — P. eaal1579 . — ISSN 1095-9203 0036-8075, 1095-9203 . - doi : 10.1126/science.aal1579 . Archivováno z originálu 15. února 2017.
  5. ↑ In, Geologie . Vědci konečně vytvořili kovový vodík , geologie IN . Archivováno z originálu 30. ledna 2017. Staženo 28. ledna 2017.
  6. ↑ Ashcroft NW Vodíkové kapaliny  //  Journal of Physics: Condensed Matter. - 2000. - Sv. 12 , č. 8A . — S. A129 . - doi : 10.1088/0953-8984/12/8A/314 .
  7. ↑ Bonev SA, et al. Kvantová tekutina kovového vodíku navržená výpočty prvního principu   // Nature . - 2004. - Sv. 431 , č.p. 7009 . — S. 669 . - doi : 10.1038/nature02968 . - arXiv : cond-mat/0410425 .
  8. ↑ Babaev E. , Ashcroft NW Porušení londýnského zákona a Onsager–Feynmanova kvantizace ve vícesložkových supravodičech  // Nature Physics  . - 2007. - Sv. 3 , ne. 8 . — S. 530 . - doi : 10.1038/nphys646 . - arXiv : 0706.2411 .
  9. ↑ Babaev E., Sudbø A., Ashcroft NW Přeměna supravodiče do supratekuté fáze v kapalném kovovém vodíku   // Příroda . - 2004. - Sv. 431 , č.p. 7009 . — S. 666 . - doi : 10.1038/nature02910 . - arXiv : cond-mat/0410408 .
  10. ↑ Ashcroft, NW Kovový vodík: vysokoteplotní supravodič? (anglicky)  // Physical Review Letters. - 1968. - Sv. 21 , č. 26 . - str. 1748 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.21.1748 .
  11. ↑ NA Kudrjašov, AA Kutukov, EA Mazur. Kritická teplota kovového vodíku při tlaku 500 GPa  (anglicky)  // JETP Letters. — 2016-12-14. — Sv. 104 , iss. 7 . - str. 460-465 . - doi : 10.1134/S0021364016190061 . Archivováno z originálu 24. září 2017.
  12. ↑ Weir ST, Mitchell AC, Nellis WJ Metalizace tekutého molekulárního vodíku při 140 GPa (1,4 Mbar  )  // Physical Review Letters. - 2004. - Sv. 76 , č. 11 . - S. 1860 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.76.1860 .
  13. ↑ Nellis, W. J. Metastabilní kovové vodíkové sklo . Lawrence Livermore Preprint UCRL-JC-142360 OSTI 15005772 (2001). - "minimální elektrická vodivost kovu při 140 GPa, 0,6 g/cm3 a 3000 K".
  14. ↑ Ruoff AL, et al. Pevný vodík při 342 GPa : Žádný důkaz pro alkalický kov   // Povaha . - 1998. - Sv. 393 , č.p. 6680 . - str. 46 . - doi : 10.1038/29949 .
  15. ↑ Deemyad S., Silvera IF Čára tání vodíku při vysokých tlacích  //  Physical Review Letters. - 2008. - Sv. 100 , č. 15 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.100.155701 . - arXiv : 0803.2321 .
  16. ↑ Eremets M.I., et al. Supravodivost ve vodíkových dominantních materiálech:  Silan  // Science . - 2008. - Sv. 319 , č.p. 5869 . - S. 1506-1509 . - doi : 10.1126/science.1153282 .
  17. ↑ Degtyareva O. Tvorba hydridů přechodných kovů při vysokých tlacích  //  Solid State Communications. - 2009. - Sv. 149 , č. 39-40 . - doi : 10.1016/j.ssc.2009.07.022 . - arXiv : 0907.2128v1 .
  18. ↑ Hanfland M., Proctor J., Guillaume CL, et al. High-Pressure Synthesis, Amorphization, and Decomposition of Silane  (anglicky)  // Physical Review Letters. - 2011. - Sv. 106 , č. 9 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.106.095503 .
  19. ↑ Eremets MI, Troyan IA Vodivý hustý vodík  // Přírodní materiály  . - 2011. - Ne. 10 . - S. 927-931 . - doi : 10.1038/nmat3175 .
  20. ↑ Nellis WJ, Ruoff A., Silvera POKUD vznikl kovový vodík v diamantové kovadlině? (anglicky)  // arxiv.org. - 2012. - arXiv : http://arxiv.org/abs/1201.0407 .
  21. ↑ MD Knudson, poslanec Desjarlais, A. Becker, RW Lemke, KR Cochrane, ME Savage, DE Bliss, TR Mattsson, R. Redmer. Přímé pozorování náhlého přechodu izolátoru na kov v hustém kapalném deuteriu  (anglicky)  // Science . - 26. června 2015. - Sv. 348 , č.p. 6242 . - S. 1455-1460 . - doi : 10.1126/science.aaa7471 .
  22. ↑ Fyzici dostali na Zemi částici Jupitera . Získáno 2. července 2016. Archivováno z originálu 16. srpna 2016.
  23. ↑ V USA provedli vědci přelomový experiment. Dostali kovový vodík . _ _ _
  24. ↑ Fyzici pochybují o odvážné zprávě o kovovém vodíku Archivováno 1. dubna 2019 na Wayback Machine // Nature  - News & Comment
  25. ↑ Existuje důvod být skeptický ohledně kovového vodíku Archivováno 20. února 2017 na Wayback Machine // Forbes 
  26. ↑ Přechod izolátor-kov v hustém tekutém deuteriu | Věda
  27. ↑ Vodík pod tlakem nabízí odraz obřích vnitřků planet | Carnegie Institute for Science . Získáno 20. dubna 2021. Archivováno z originálu dne 27. listopadu 2020.
  28. ↑ Fyzici našli nové náznaky existence kovového vodíku
  29. ↑ Existence anomální formy hmoty byla potvrzena . Staženo 1. února 2020. Archivováno z originálu 31. ledna 2020.
  30. ↑ Silvera, Isaac F. Metallic Hydrogen: A Game Changing Rocket Propellant . JARNÍ SYMPOZIUM NIAC (27. března 2012). — „Rekombinace atomů vodíku uvolňuje 216 MJ/kg Spalování vodíku/kyslíku v raketoplánu uvolňuje 10 MJ/kg ... hustota asi 12-13krát“. Datum přístupu: 13. května 2012. Archivováno z originálu 7. června 2013.

Literatura