Der Druck ist zu metallischem Wasserstoff, Science News zu machen
In wenigen hoch spezialisierten Laboratorien, Wissenschaftler bombardieren Materie mit der leistungsstärksten elektrischen Impulsen der Welt oder zappen sie mit hoch entwickelten Laser. Andere Labors quetschen schwere Diamanten zusammen hart genug, um sie zu knacken.
All dies ist auf der Suche nach einem unschätzbaren Metall. Es ist nicht alles Gold, Silber oder Platin. Der Wissenschaftler Steinbruch Wasserstoff in seiner am schwersten Formen.
Mehrere rivalisierenden Teams streben Wasserstoff zu verwandeln, gewöhnlich ein Gas, in einem Metall. Es ist ein High-Stakes, High-Leidenschaft Streben, die Träume von einem begehrten neuen Material Funken, die enormen technologischen Fortschritte in der Elektronik aufschließen konnte.
Metallic Wasserstoff in fester Form, die Wissenschaftler vorschlagen, könnte ein Supraleiter sein: ein Material, die Elektronen, die durch sie fließen kann mühelos, ohne Energieverlust. Alle bekannten Supraleiter funktionieren nur bei extrem niedrigen Temperaturen, ein großer Nachteil. Theoretiker vermuten, dass metallischen Wasserstoff supraleitenden könnte bei Raumtemperatur arbeiten. Ein Raumtemperatur-Supraleiter ist eine der eifrig gesucht Ziele in der Physik; es würde bei der Übertragung und Speicherung von Energie enorme Energieeinsparungen und enorme Verbesserungen bieten.
Metallischer Wasserstoff die Bedeutung erstreckt sich über irdischen Beschäftigungen. Das Material könnte auch dazu beitragen, Wissenschaftler unseres Sonnensystems zu verstehen. Bei hohen Temperaturen wird eine metallische Druckwasserstoff Flüssigkeit - eine Form, die sich unter den Wolken des ungeheuren Gasplaneten lauern, wie Jupiter und Saturn gedacht wird. Aussortieren der Eigenschaften von Wasserstoff bei extremer Hitze und hohem Druck könnten bestimmte langlebige Rätsel über die Gasriesen lösen. Forscher haben kurze Einblicke in der flüssigen Metall Form von Wasserstoff im Labor berichtet - obwohl Fragen über die wahre Natur des Materials Verweilen ein.
Während kein Labor noch festen metallischen Wasserstoff produziert hat, schließen die gemeinsamen Anstrengungen vieler Wissenschaftler schnell auf ein umfassenderes Verständnis des Elements selbst - sowie einen besseren Einblick in die komplexen Innenleben von Feststoffen.
Nicht so einfach
Wasserstoff ist das erste Element des Periodensystems und die häufigste Element im Universum, sollte leicht zu verstehen: ein einzelnes Proton mit einem einzelnen Elektron gepaart. „Was als eine Anordnung von Elektronen und Protonen einfacher sein könnte?“, Fragt theoretischen Physiker Neil Ashcroft von der Cornell University. Aber bei hohen Drücken, wird die Physik des Wasserstoff schnell komplex.
Bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck, ist Wasserstoff ein Gas. Aber wie andere Materialien, veränderte Bedingungen können Wasserstoff in einen Feststoff oder eine Flüssigkeit transformieren. Bei ausreichend niedrigen Temperaturen oder eine ausreichend kräftige quetschen, Wasserstoffform-Verschiebungen in einen Feststoff. In Hitze während quetschen, und es wird eine Flüssigkeit.
Wenn unterworfen noch extremeren Bedingungen, Wasserstoff kann - zumindest theoretisch - eine weitere Transformation zu unterziehen, in einem Metall. Alle Metalle haben eines gemeinsam: Sie leiten Strom aufgrund freifließenden Elektronen, die gehen können, wo sie innerhalb des Materials gefallen.
Exotische Formen von Wasserstoff
Unter gewöhnlichen Bedingungen, in einem Bereich zu klein, auf diesem Diagramm zu sehen ist, ist Wasserstoff ein Gas. Bei sehr hohen Temperaturen wird es flüssig. Bei hohen Drücken, dann ist es ein Feststoff in einem von mehreren Phasen. Die Wissenschaftler erwarten, dass es ein festes Metall bei Drücken noch nicht erreicht werden wird.
Quelle: ZF- Silvera / Harvard Univ.
Squeeze etwas hart genug und es wird ein Metall. „Der Druck hat eine große Aufgabe der äußeren Elektronen Verdrängen“, sagt Ashcroft. Dies ist, was Wissenschaftler mit Wasserstoff tun wollen: schaffen ein Schwappen Suppe Elektronen von Roving entweder in einer Flüssigkeit oder einem Feststoff.
Wenn Wasserstoff komprimiert wird, beginnen viele Atome miteinander zu interagieren, während in Molekülen von zwei Wasserstoffatome jeweils gepaart. Die zugrunde liegende Physik wird ein heikles Wirrwarr. „Es ist erstaunlich; das Zeug unglaublich komplexe Arrangements im festen Zustand nimmt“, sagt Ashcroft, der erste Wissenschaftler vorschlagen, im Jahr 1968, dass metallischer Wasserstoff ein Hochtemperatur-Supraleiter sein könnte.
Wasserstoff Komplexität fasziniert Wissenschaftler. „Es ist nicht nur die Metallisierung Frage, die für mich von Interesse ist“, sagt Russell Hemley, Chemiker an der Carnegie Institution for Science in Washington, D. C. und Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien. Das Studium der Feinheiten des Verhaltens der Wasserstoff kann Wissenschaftlern helfen, ihr Verständnis für die physikalischen Eigenschaften der Materialien zu verfeinern.
Wissenschaftler ursprünglich erwartet, dass der Übergang ein einfaches Flip zu metallischem Verhalten wäre. Nicht so, sagt theoretischen Physiker David Ceperley von der University of Illinois in Urbana-Champaign. „Die Natur hat viel mehr Möglichkeiten.“ Solid Wasserstoff existiert in mehreren Formen, die jeweils mit einer anderen Kristallstruktur. Wenn der Druck steigt, verschieben sich die gerissenen Wasserstoffmoleküle in immer mehr-komplexe Anordnungen, oder Phasen. (Für Physiker, geht die „Phase“ der Materie tiefer als die einfachen Staaten von festen, flüssigen oder gas.) Die Anzahl der bekannten Festphasen Wasserstoff ist stetig gewachsen, da höherer Drücke erreicht werden, mit vier Phasen nun gut etabliert. Die nächste Phase Wissenschaftler finden kann ein Metall sein - sie hoffen.
Story weiter unten Timeline
Timeline: Das Rennen um metallischen Wasserstoff
Rival Forschungsteams hetzen festen oder flüssigen Wasserstoff in ein Metall zu verwandeln. Bei jedem Versuch steigt der Druck. Sie haben zwei sehr unterschiedliche Ziele: einen Raumtemperatur-Supraleiter und ein Fenster in die Gasriesen.
Während eine Gruppe von Möchtegern-Metallurgen für festes Metall der Suche, suchen andere Forscher das wissenschaftlich interessante flüssigen Wasserstoff Metall. Ihre Techniken unterscheiden sich in Größe und Zeitplan. Zur Herstellung von flüssigem Metall, zuzuschlagen Wissenschaftler heftig Wasserstoff für Sekundenbruchteile zu einer Zeit, mit riesigen Maschinen auf nationale Laboratorien. Wissenschaftler für ein festes Metall, auf der anderen Seite suchen, verwenden Sie faustgroßen Geräte Wasserstoff zwischen den Spitzen von zwei kleinen Diamanten zu erfassen und zu langsam quetschen.
Diamanten haben es rau
Crushing eine ätherische, normalerweise gasförmige Substanz, die zwischen zwei Diamanten klingt fast unmöglich. Eine solche heikle Experimente machen für einen Bereich, in dem Forscher über ihre neuesten Ergebnisse in regelmäßigen Meinungsverschiedenheiten sind. „Wir sind immer noch qualitativ hochwertige, zuverlässige Daten fehlen“, sagt Physiker Alexander Goncharov. „Das Problem ist, die Experimente zu anspruchsvoll sind.“
In seinem Büro am Geophysical Laboratory der Carnegie Institution, öffnet Goncharov eine Schublade Schreibtisch und zieht eine Vorrichtung eine Diamantstempelzelle bezeichnet. Der Zylinder aus Metall ist klein genug für Goncharov to cradle in seiner Handfläche. Bits von präzisem bearbeiteten Stahl und Wolframkarbid hart zusammen mit vier Schrauben gehalten. Durch Portale in oben und unten, hell funkelt schimmern: Diamanten.
Im Inneren der Kapsel, Kegel zwei Diamanten winzige Punkte wenige hundertstel Millimeter breit. Sie klemmen das Material innerhalb, es über eine Million mal Atmosphärendruck zerquetschen. Die Lücke zwischen den winzigen Ambossen kann so klein wie ein paar Tausendstel Millimeter, über die Größe eines menschlichen roten Blutkörperchen sein.
Sobald sie unter Druck gesetzt worden haben, werden Diamantstempelzellen fast unbegrenzt den Druck halten. im Labor geprüft, transportierten spezialisierte Einrichtungen auf der ganzen Welt - - Die hergestellten Zellen können herum getragen werden oder einfach in einer Schreibtischschublade aufbewahrt. Goncharov reist regelmäßig mit ihnen. (Tipp vom Wander Wissenschaftler: Wenn Fragen an der Flughafensicherheit entstehen, „‚ Diamanten‘nie das Wort“) Der Diamant Amboss kann mehr quetschen als Wasserstoff - Materialien aus Eisen Natrium Argon kann in dem Diamanten Schraubstock zerquetscht werden.
tight Squeeze
Optische Vorrichtungen Sandwich eine Diamantstempelzelle (links). Im Inneren einklemmen zwei Diamanten eine Probe (rechts, lila Punkt), wie beispielsweise Wasserstoff, Eisen oder Natrium.
Um neue, potentiell metallische Phasen von festen Wasserstoff innerhalb der unter Druck Kapseln zu identifizieren, Wissenschaftler strahlen Laserlicht auf das Material, die Messung, wie Moleküle vibrieren und drehen - eine Technik mit der Bezeichnung Raman-Spektroskopie (SN: 8/2/08, p. 22). Wenn eine neue Phase erreicht ist, Moleküle verschieben Konfigurationen zu verändern, wie sie wackeln. Bestimmte Arten von Änderungen, wie die Atom wackeln sind ein Zeichen dafür, dass die neue Phase metallisch ist. Wenn das Material elektrisch leitfähig ist, ist, dass ein anderes untrügliches Zeichen. Ein abschließender telltale Zeichen: Die normalerweise scheinend Wasserstoff sollte eine glänzende, reflektierende Oberfläche erwerben.
Wesentliche Hürden bestehen für Diamantstempelzelle Experimente. Diamanten, die nach oben von $ 600 ein Pop kosten können unter solchen intensiven Druck knacken. Wasserstoff kann aus der Kapsel entweichen, oder diffundieren in den Diamanten, schwächen sie. So Wissenschaftler Mantel ihrer Diamanten mit dünnen Schichten aus Schutzmaterial. Die Teams haben jeweils ihre eigene einzigartige Rezeptur, sagt Goncharov. „Natürlich, jeder glaubt, dass ihr Rezept ist das Beste.“
Fortschritt kommt nicht einfach. Mit jedem neuen Papier, nicht einverstanden sind Wissenschaftler über das, was bedeuten die Ergebnisse. Wenn Eremets und Kollegen die vierte Phase entdeckt, sie dachten, sie hatten auch metallischen Wasserstoff gefunden (SN:. 12/17/11, S. 9). Aber diese Behauptung wurde schnell kritisiert. und es stand nicht zur Kontrolle auf.
Das Feld wurde von eilten Ansprüche geplagt. „Wenn man sich die Literatur sucht den letzten 30 Jahren“, sagt Gregoryanz „Ich denke, alle fünf Jahre gibt es eine Forderung, die wir Wasserstoff schließlich metallisiert.“ Aber die Ansprüche wurden nicht bestätigt, Wissenschaftler ständig skeptisch neuer verlassen Ergebnisse.
In einer aktuellen Flut von Papieren haben Wissenschaftler neue Phasen vorgeschlagen - einige, die zu einem echten Metall metallische oder metallartigen Vorläufer sein könnten - und sie warten, um zu sehen, welchen Stick behauptet. Konkurrierende Fraktionen haben volleyed Papiere hin und her, abwechselnd andere Meinung und Zustimmung.
Ein paar Monate später, Silveras Gruppe drückte Wasserstoff hart genug, um es fast undurchsichtig zu machen, wenn auch nicht reflektierend - nicht ganz ein Metall. „Wir denken, wir sind nur unter dem Druck, die Sie benötigen zu metallischem Wasserstoff zu machen“, sagt Silvera. Seine Ergebnisse stehen im Einklang mit Eremets’ neue Phase, aber Silvera bestreitet Eremets Spekulationen von metallicity. „Jedes Mal, wenn sie etwas ändern sehen sie es metallisch nennen“, sagt Silvera. „Aber sie haben nicht wirklich Beweise aus metallischem Wasserstoff.“
Die aktuellen Ergebnisse sind „nicht sehr gut im Einklang, so kann jeder jeden kritisieren“, sagt Eremets. „Für mich ist es sehr klar. Wir sollten mehr Experimente durchführen. Das ist es."
Schwefel in die Mix stabilisiert und stärkt die Struktur Wasserstoff, sondern trägt nicht viel zu seinen supraleitenden Eigenschaften. Schwefelwasserstoff ist so ähnlich wie reiner Wasserstoff, sagt Eremets, dass „in mancher Hinsicht fanden wir bereits Supraleitung in metallischem Wasserstoff.“
kurze schimmert
Verwendung einen radikal anderen Satzes von Technologien ist ein zweites Band von Wissenschaftlern auf der Suche nach solchen flüssigen metallischen Wasserstoff. Diese Forscher haben gegangen groß, nutzbar zu machen, die Fähigkeiten der neuen, leistungsfähiger Maschinen für die Kernfusion Experimente an staatlich finanzierten nationalen Labors. Diese Experimente zeigen den überzeugendste Beweis für metallisches Verhalten so weit - aber in Wasserstoff der Flüssigkeit, nicht fest, Form. Diese enorme Maschinen Wasserstoff für kurze Augenblicke sprengen, vorübergehend Drücken und Temperaturen senden die Höhe schnellen. Solche Experimente erreichen Anbraten Temperaturen, Tausende von kelvins. Mit dieser Art von Wärme, wird metallisches Wasserstoff bei niedrigerem, besser zugänglich Drücken.
solche Bedingungen zu schaffen, erfordert hoch entwickelte Ausrüstung. Die Z-Maschine, sich an den Sandia National Laboratories in Albuquerque, erzeugt extrem intensive Bursts elektrischer Leistung und starken Magnetfeldern; für einen winzigen Augenblick kann die Maschine etwa 80 Terawatt liefern (ein Terawatt ist über die gesamte elektrische Stromerzeugungskapazität in den gesamten Vereinigten Staaten).
Eine weitere Gruppe verfolgt eine andere Taktik, einige der fortschrittlichsten Laser in der Welt verwendet wird, an der National Ignition Facility am Lawrence Livermore. Wissenschaftler dort zap Wasserstoff hohen Drücken und Temperaturen zu erzeugen. Obwohl die Ergebnisse dieses Experiments sind noch nicht veröffentlicht, sagt Physiker Gilbert Collins von Lawrence Livermore, einer der Führer des Experiments „wir ein paar wirklich schöne Ergebnisse haben.“
Diese Experimente stellen Hürden ihrer eigenen - es ist ein Kampf um die Temperatur in solchen Systemen zu messen, so die Wissenschaftler es berechnen, anstatt es direkt zu messen. Aber viele Forscher sind durch diese Ergebnisse noch überzeugt. Metallic Wasserstoff „sicherlich durch Schocktechniken hergestellt worden“, Cornell Ashcroft sagt.
Einige Wissenschaftler haben noch Fragen. „Es ist sicherlich schwierig zu sagen, ob etwas ein Metall oder nicht bei so hohen Temperatur ist“, sagt Collins. Obwohl sie hohe Temperaturen müssen die Metallflüssigphase zu erreichen, definieren einige Physiker ein Metall auf ihrem Verhalten bei einer Temperatur von absolut Null basiert. Aktuelle Experimente schlagen hohe Drücke so nahe wie möglich bei Null bei Temperaturen relativ kühle Flüssigkeit metallischen Wasserstoff zu erzeugen.
„Es ist so eine Art Krise nun mit diesen verschiedenen Experimenten“, sagt Illinois Theoretiker Ceperley. „Und es gibt eine Menge von Aktivitäten zu sehen versuchen, wer Recht hat.“ Vorerst werden die Wissenschaftler weiterhin ihre Techniken zu verfeinern, bis sie Übereinkunft treffen können.
Die großen Spieler haben es geschafft, bevor ein Konsens zu erreichen. Vier Phasen fester Wasserstoff sind inzwischen gut etabliert, und Forscher sind sich einig über bestimmte Bedingungen, unter denen feste Wasserstoff schmilzt.
Die Suche geht weiter, angetrieben von einer Handvoll von Wasserstoff-besessenen Wissenschaftlern.
„Wir alle Wasserstoff lieben“, sagt Collins. „Es hat das Wesen einfach zu sein, so dass wir glauben, dass wir etwas berechnen und zu verstehen, während es gleichzeitig eine so abwegig Natur hat, dass es vielleicht die am wenigsten verständlich Material besteht.“