Metallischer Wasserstoff ist ein Staat von Wasserstoff, der resultiert, wenn es genug zusammengepresst wird und einen Phase-Übergang erlebt; es ist ein Beispiel der degenerierten Sache. Fester metallischer Wasserstoff wird vorausgesagt, um aus einem Kristallgitter von Wasserstoffkernen (nämlich, Protone) mit einem Abstand zu bestehen, der bedeutsam kleiner ist als der Radius von Bohr. Tatsächlich ist der Abstand mit der Wellenlänge von de Broglie des Elektrons vergleichbarer. Die Elektronen werden losgebunden und benehmen sich wie die Leitungselektronen in einem Metall. In flüssigem metallischem Wasserstoff haben Protone Gitter nicht, das bestellt; eher ist es ein flüssiges System von Protonen und Elektronen.

Geschichte

Theoretische Vorhersagen

Metallization von Wasserstoff unter dem Druck

Obwohl an der Oberseite von der alkalischen Metallsäule im Periodensystem Wasserstoff nicht, unter gewöhnlichen Bedingungen, einem alkalischen Metall ist. 1935 jedoch haben Physiker Eugene Wigner und Hillard Bell Huntington vorausgesagt, dass unter einem riesigen Druck ungefähr (oder) Wasserstoffatome metallische Eigenschaften zeigen würden, das Verlieren verschieben ihre Elektronen. Seitdem ist metallischer Wasserstoff als "der heilige Gral der Hochdruckphysik" beschrieben worden.

schließlich bewies, war die anfängliche Vorhersage über den Betrag des erforderlichen Drucks zu niedrig. Seit der ersten Arbeit von Wigner und Huntington wiesen die moderneren theoretischen Berechnungen zu höher, aber dennoch potenziell zugänglicher metallization Druck hin. Techniken werden entwickelt, um Druck bis zu höher zu schaffen, als der Druck am Zentrum der Erde, in der Hoffnung auf das Schaffen metallischen Wasserstoffs.

Flüssiger metallischer Wasserstoff

Helium 4 ist eine Flüssigkeit am normalen Druck und den Temperaturen in der Nähe von der absoluten Null, einer Folge seiner hohen Nullpunktsenergie (ZPE). Der ZPE von Protonen in einem dichten Staat ist auch hoch, und ein Niedergang in der Einrichtungsenergie (hinsichtlich des ZPE) wird am Hochdruck erwartet. Argumente sind von Neil Ashcroft und anderen vorgebracht worden, dass es ein Schmelzpunkt-Maximum in komprimiertem Wasserstoff gibt, sondern auch dass es eine Reihe von Dichten geben kann (am Druck ringsherum), wo Wasserstoff ein flüssiges Metall sogar bei niedrigen Temperaturen sein kann.

Supraleitfähigkeit

1968 hat Ashcroft diesen metallischen Wasserstoff vorgebracht kann ein Supraleiter, bis zur Raumtemperatur (~) viel höher sein als jedes andere bekannte Kandidat-Material. Das stammt von seiner äußerst hohen Geschwindigkeit des Tons und der erwarteten starken Kopplung zwischen den Leitungselektronen und den Gitter-Vibrationen.

Möglichkeit von neuartigen Typen von Quant-Flüssigkeit

Jetzt bekannte "Super"-Staaten der Sache sind Supraleiter, superflüssige Flüssigkeiten und Benzin und Superfestkörper. Egor Babaev hat vorausgesagt, dass, wenn Wasserstoff und schwerer Wasserstoff flüssige metallische Staaten haben, sie Staaten in Quant-Gebieten bestellt haben können, die als das Superleiten oder die Superflüssigkeit im üblichen Sinn nicht klassifiziert werden können. Statt dessen können sie zwei mögliche neuartige Typen von Quant-Flüssigkeiten vertreten: "Superflüssigkeiten" und "metallische Superflüssigkeiten" superführend. Solche Flüssigkeiten wurden vorausgesagt, um hoch ungewöhnliche Reaktionen zu magnetischen Außenfeldern und Folgen zu haben, die ein Mittel für die experimentelle Überprüfung der Vorhersagen von Babaev zur Verfügung stellen könnten. Es ist auch darauf hingewiesen worden, dass, unter dem Einfluss des magnetischen Feldes, Wasserstoff Phase-Übergänge von der Supraleitfähigkeit bis Superflüssigkeit und umgekehrt ausstellen kann.

Lithiumdoping reduziert notwendigen Druck

2009 sagte Zurek. voraus, dass die Legierung, an der LiH ein stabiles Metall nur des Drucks sein würde, der zu metallize Wasserstoff erforderlich ist, und dass ähnliche Effekten für die Legierung des Typs LiH und vielleicht andere Legierung des Typs halten sollten? Li.

Experimentelle Verfolgung vor 2011

Metallization von Wasserstoff in der Kompression der Stoß-Welle

Im März 1996, eine Gruppe von Wissenschaftlern an Lawrence Livermore Nationales Laboratorium hat berichtet, dass sie serendipitously erzeugt, seit ungefähr einer Mikrosekunde und bei Temperaturen von Tausenden von kelvins und Druck von mehr als einer Million Atmosphären (> 100 GPa), der erste identifizierbar metallische Wasserstoff hatten. Die Mannschaft hat nicht angenommen, metallischen Wasserstoff zu erzeugen, weil es festen Wasserstoff, vorgehabt nicht verwendete, notwendig zu sein, und bei Temperaturen über denjenigen arbeitete, die durch die metallization Theorie angegeben sind. Frühere Studien, in denen fester Wasserstoff innerhalb von Diamantambossen zum Druck bis dazu zusammengepresst wurde, haben feststellbaren metallization nicht bestätigt. Die Mannschaft hatte sich einfach bemüht, die weniger äußersten elektrischen Leitvermögen-Änderungen zu messen, die, wie man erwartete, vorgekommen sind. Die Forscher haben ein Licht des Zeitalters der 1960er Jahre Gaspistole verwendet, die ursprünglich in Studien des ferngelenkten Geschosses verwendet ist, um einen impactor Teller in einen gesiegelten Behälter zu schießen, der ein Halbmillimeter dicke Probe von flüssigem Wasserstoff enthält. Der flüssige Wasserstoff war im Kontakt mit Leitungen, die zu einem Gerät führen, das elektrischen Widerstand misst. Die Wissenschaftler haben gefunden, dass, weil sich Druck dazu erhoben hat, die elektronische Energieband-Lücke, ein Maß des elektrischen Widerstands, zu fast der Null gefallen ist. Die Band-Lücke von Wasserstoff in seinem unkomprimierten Staat ist über, es einen Isolator machend, aber, weil der Druck bedeutsam zunimmt, ist die Band-Lücke allmählich dazu gefallen. Weil die Thermalenergie der Flüssigkeit (ist die Temperatur über den erwarteten für die Kompression der Probe geworden), oben war, könnte der Wasserstoff metallisch betrachtet werden.

Andere experimentelle Forschung seit 1996

Viele Experimente gehen in der Produktion von metallischem Wasserstoff in Laborbedingungen bei der statischen Kompression und niedrigen Temperatur weiter. Arthur Ruoff und Chandrabhas Narayana von der Universität von Cornell 1998, und später haben Paul Loubeyre und René LeToullec von Commissariat à l'Énergie Atomique, Frankreich 2002, gezeigt, dass am Druck in der Nähe von denjenigen am Zentrum der Erde (3.2 zu 3.4 Millionen Atmosphären oder 324 bis 345 GPa) und Temperaturen von 100-300 K Wasserstoff noch immer nicht ein wahres alkalisches Metall wegen der Nichtnullband-Lücke ist. Die Suche, um metallischen Wasserstoff im Laboratorium bei der niedrigen statischen und Temperaturkompression zu sehen, geht weiter. Studien erleben auch auf schwerem Wasserstoff. Shahriar Badiei und Leif Holmlid von der Universität von Gothenburg haben 2004 gezeigt, dass kondensierte metallische Staaten, die aus aufgeregten Wasserstoffatomen (Sache von Rydberg) gemacht sind, wirksame Befürworter zu metallischem Wasserstoff sind.

Experimentelle Ergebnisse 2008

Das theoretisch vorausgesagte Maximum der schmelzenden Kurve (die Vorbedingung für den flüssigen metallischen Wasserstoff) wurde von Shanti Deemyad entdeckt, und Isaac F. Silvera, indem er verwendet hat, hat Laserheizung pulsiert. Wasserstoffreiche Legierung war SiH metalized und hat gefunden, um durch M.I. Eremets superzuführen u. a. früher theoretische Vorhersage durch Ashcroft bestätigend. In dieser reichen Wasserstofflegierung sogar am gemäßigten Druck (wegen der chemischen Vorkompression) bildet der Wasserstoff ein Subgitter mit der Dichte entsprechend metallischem Wasserstoff.

Jedoch wurde die geforderte superführende und metallische Hochdruckphase von SiH später als Platin hydride identifiziert, der sich nach der Zergliederung von SiH geformt hat.

Metallization von Wasserstoff 2011

2011 haben Eremets und Troyan das Beobachten des flüssigen metallischen Staates von Wasserstoff und schwerem Wasserstoff am statischen Druck gemeldet.

Metallischer Wasserstoff in anderen Zusammenhängen

Astrophysik

denkt, ist metallischer Wasserstoff in großen Beträgen im Gravitations-komprimierten Innere Jupiters, Saturns, und einige der kürzlich entdeckten extrasolar Planeten da. Weil vorherige Vorhersagen der Natur jenes Inneres metallization an einem höheren Druck als selbstverständlich betrachtet hatten als derjenige, an dem wir es jetzt wissen zu geschehen, müssen jene Vorhersagen jetzt angepasst werden. Die neuen Daten zeigen an, dass viel mehr metallischer Wasserstoff innerhalb Jupiters bestehen muss als vorher Gedanke, dass es näher an der Oberfläche kommt, und dass deshalb, das enorme magnetische Feld von Jupiter, der stärkste von jedem Planeten im Sonnensystem abwechselnd näher an der Oberfläche erzeugt wird.

Wasserstoffdurchdringung von Metallen

Wie erwähnt, früher, hat Formen von SiH eine Metalllegierung unter Druck gesetzt. Es ist weithin bekannt, dass Wasserstoff in einem bemerkenswerten Ausmaß verschiedene gewöhnliche Metalle unter Bedingungen des gewöhnlichen Drucks durchdringen kann. In einigen Metallen (z.B Lithium) kommt eine chemische Reaktion vor, der eine gewöhnliche nichtmetallische chemische Zusammensetzung (Lithium hydride) erzeugt. In anderen Fällen ist es möglich, dass der Wasserstoff wörtlich sich mit dem Metall (etwas analog der Quecksilberamalgam-Bildung) beeinträchtigt. Sicher ist es bekannt, dass viele Metalle metallisch (z.B, Palladium) nach fesselndem Wasserstoff bleiben — werden die meisten spröde, aber viele gewöhnliche Legierung ist auch spröde.

Anwendungen

Fusionsmacht

Eine Methode, Kernfusion, genannt Trägheitsbeschränkungsfusion zu erzeugen, schließt zielende Laserbalken an Kügelchen von Wasserstoffisotopen ein. Das vergrößerte Verstehen des Verhaltens von Wasserstoff in äußersten Bedingungen konnte helfen, Energieerträge zu vergrößern.

Brennstoff

Es kann möglich sein, wesentliche Mengen von metallischem Wasserstoff zu praktischen Zwecken zu erzeugen. Die Existenz ist einer Form genannt "Metastable Metallischer Wasserstoff" (MSMH) theoretisiert worden, der zu gewöhnlichem Wasserstoff nach der Ausgabe des Drucks nicht sofort zurückkehren würde.

Außerdem würde MSMH einen effizienten Brennstoff und auch einen sauberen, mit nur Wasser als ein Endprodukt (wenn verbrannt, in reinem Sauerstoff) machen. Neunmal so dicht wie Standardwasserstoff würde es beträchtliche Energie abgeben, wenn es zu Standardwasserstoff zurückkehrt. Verbrannt schneller konnte es ein Treibgas mit bis zu fünfmal der Leistungsfähigkeit von flüssigem H/O, dem aktuellen Raumfähre-Brennstoff sein. Leider haben die oben erwähnten Experimente von Lawrence Livermore metallischen Wasserstoff zu kurz erzeugt, um zu bestimmen, ob metastability möglich ist.

Siehe auch

• Schneematsch-Wasserstoff
• Fester Wasserstoff
• Zeitachse von Wasserstofftechnologien