Udało się uzyskać metaliczny wodór? Nie wszyscy w to wierzą

[KopalniaWiedzy.pl 357]

Niemal sto lat po tym, jak został przewidziany teoretycznie naukowcy z Uniwersytetu Harvarda uzyskali najrzadszy i potencjalnie jeden z najcenniejszych materiałów na Ziemi. Atomowy metaliczny wodór, bo o nim mowa, został stworzony przez profesora Issaca Silverę i doktora Rangę Diasa. Stworzenie metalicznego wodoru pozwoli nie tylko odpowiedzieć na wiele podstawowych pytań dotyczących natury materii, ale materiał może znaleźć wiele unikatowych zastosowań. Teoretycznie z tej formy wodoru mogłyby powstać nadprzewodniki pracujące w temperaturze pokojowej.

To Święty Graal fizyki wysokich ciśnień. To pierwsza na Ziemi próbka metalicznego wodoru, więc jeśli na nią patrzysz, to widzisz coś, co nie istniało nigdy wcześniej - mówi Silvera.

Materiał uzyskano poddając wodór ciśnieniu 495 gigapaskali. To ciśnienie wyższe niż we wnętrzu Ziemi. W tak ekstremalnych warunkach molekularny wodór, który składa się z molekuł umieszczonych na ciele stałym, zostaje porozrywany, a molekuły rozpadają się w wodór atomowy, który jest metalem. Jedno z bardzo ważnych założeń teoretycznych mówi, że taki wodór jest metastabilny. To oznacza, że jeśli zmniejszymy ciśnienie, pozostanie on w formie metalicznej. Podobnie dzieje się z grafitem, gdy zostanie poddany wysokiemu ciśnieniu i temperaturze i pozostaje diamentem, gdy ciśnienie i temperatura zostają zmniejszone - stwierdza Silvera. Sprawdzenie tych teoretycznych przewidywań jest niezwykle ważne, gdyż teoria mówi, że metaliczny wodór byłby nadprzewodnikiem działającym w temperaturze pokojowej. To byłaby rewolucja. W czasie przesyłania traci się nawet 15 procent energii. Jeśli można by z tego materiału zrobić kable do sieci przesyłowych dużo by to zmieniło.

Nadprzewodnik działający w temperaturze pokojowej pozwoliłby na budowę szybkich systemów transportu wykorzystujących lewitację magnetyczną, zwiększyłby efektywność samochodów elektrycznych i wydajność wielu urządzeń elektronicznych. Doszłoby też do rewolucji na rynku przechowywania energii. Jako, że nadprzewodniki mają zerową oporność możliwe byłoby przechowywanie energii w obwodach elektrycznych, w których krążyłaby ona do czasu, aż byłaby potrzebna.

Metaliczny wodór potencjalnie może nie tylko zmienić życie na Ziemi, ale również ułatwić podbój kosmosu. Uzyskanie metalicznego wodoru wymaga olbrzymich ilości energii. A gdy zamieniamy go z powrotem w wodór molekularny, cała ta energia jest uwalniania, możemy więc stworzyć najbardziej wydajne paliwo rakietowe znane człowiekowi - wyjaśnia Silvera. Impuls właściwy silnika napędzanego tym paliwem wynosiłby 1700 sekund. Obecnie powszechnie używa się wodoru i tlenu, a impuls właściwy takich silników to 450 sekund. To pozwoliłoby na eksplorację zewnętrznych planet Układu Słonecznego. Moglibyśmy wysyłać na orbitę rakiety jednostopniowe, w miejsce obecnych dwustopniowych i wynosić ładunki o większej masie - dodaje Silvera.

Niektórzy specjaliści ostrożnie podchodzą do wyników pracy Silvery i Diasa i domagają się mocniejszych dowodów. Z naszego punktu widzenia nie jest to przekonujące - mówi Mikhail Eremets z Instytutu Chemii im. Maksa Plancka w Moguncji. W wyniki badań bardzo wątpi też Eugene Gregoryanz z University of Edinburgh.

Wątpliwości są związane z faktem, że bardzo trudno jest prowadzić eksperymenty z wodorem poddanym wysokiemu ciśnieniu, a jeszcze trudniej jest interpretować ich wyniki. Najpierw pomiędzy dwoma diamentowymi ostrzami naukowcy z Harvarda umieścili metalową podkładkę. Jej zadaniem było utrzymanie wodoru w odpowiednim miejscu w czasie, gdy jest on ściskany przez diamentowe ostrza. Pod wpływem wysokiego ciśnienia wodór może przedostawać się do diamentów, przez co dochodzi do ich pękania. Silvera i Dias pokryli więc diamenty przezroczystą warstwą ochronną z tlenku glinu. Jednak dodatkowa warstwa utrudnia interpretację laserowych pomiarów zjawisk zachodzących w ściskanym materiale. Ponadto przy ciśnieniu wyższym od 400 gigapaskali wodór staje się czarny i nie przepuszcza światła lasera. Problemy te powodowały, że wcześniejsze próby uzyskania metalicznego wodoru paliły na panewce.

Silvera i Dias mówią, że ich eksperyment był udany dlatego, że zachowali niską temperaturę i zrezygnowali z ciągłego próbkowania wodoru laserem o wysokiej intensywności. Jak mówią, światło laserowe również może uszkodzić diamentowe ostrza. Przy ciśnieniu około 500 GPa kolor próbki zmienił się z czarnego na czerwonawy. Wówczas uczeni oświetlili wodór laserem podczerwonym o niskiej intensywności i stwierdzili, że doszło do znacznego zwiększenia współczynnika odbicia światła tak, jak się można tego spodziewać po metalach. Dopiero wówczas uczeni użyli spektroskopii ramanowskiej do dokładnego sprawdzenia ciśnienia, jakiemu został poddany wodór. Silvera i Dias obawiają się, że uzyskana próbka może być w stanie płynnym, dlatego nie uwolnili jej z diamentowego kowadełka. Sa jednak przekonani, że uzyskali metal. Neil Ashford, fizyk z Cornell University, który przed 50 laty przewidział nadprzewodzące właściwości wodoru mówi, że twierdzenia obu naukowców są bardzo przekonujące.

Inni specjaliści wzywają do przeprowadzenia kolejnych eksperymentów. Dotychczas widzieliśmy tylko jeden, trzeba go powtórzyć - stwierdza Eremets. Uczony zastanawia się też, skąd Silvera i Dias wiedzą, że uzyskali ciśnienie 495 GPa, skoro zwykle określa się je za pomocą ciągłego monitorowania techniką spektroskopii ramanowskiej. Tymczasem Silvera i Dias przewidywali ciśnienie na podstawie liczby obrotów śrub podczas zbliżania do siebie diamentowych ostrzy ściskających wodór. Powtórzenia eksperymentów chciałby też Raymond Jeanloz z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley. Uczony przypomina, że metalowe podkładki, które w nich wykorzystywano, pękały pod dużym ciśnieniem i reagowały z próbką, co prowadziło do zafałszowań wyników.

Silvera i Dias są jednak przekonani, że prawidłowo przeprowadzili eksperyment. Mówią, że chcieli poinformować o uzyskanych wyników już po pierwszej próbie, gdyż planują dalsze badania swojej próbki, podczas których może ona ulec zniszczeniu. Wkrótce chcą ją dodatkowo zbadać za pomocą spektroskopii ramanowskiej, by przekonać się, czy ma ona regularną strukturę atomową, jaką powinien mieć metal. Z czasem zmniejszą ciśnienie, by przekonać się, czy próbka jest metastabilna.

« powrót do artykułu

[tempik 83]

"Silvera i Dias obawiają się, że uzyskana próbka może być w stanie płynnym, dlatego nie uwolnili jej z diamentowego kowadełka."

 

czyli co? nie podniosą kowadła bo boja się że kakao się wyleje?. czy nie otworzenie pułapki coś w tej materii zmieni? będą dalej stać i cmokać że mają metal?

 

dziwni jacyś.... ja bym zaraz wsadził palec czy jęzor itd.(ciekawość) a oni się boją....

[nantaniel 59]

"Silvera i Dias obawiają się, że uzyskana próbka może być w stanie płynnym, dlatego nie uwolnili jej z diamentowego kowadełka."

 

czyli co? nie podniosą kowadła bo boja się że kakao się wyleje?. czy nie otworzenie pułapki coś w tej materii zmieni? będą dalej stać i cmokać że mają metal?

 

dziwni jacyś.... ja bym zaraz wsadził palec czy jęzor itd.(ciekawość) a oni się boją....

Przecież jak mają tego kota w worku, to mogą dostać kolejne granty na poszturchiwanie i macanie go przez ten worek. Jak kot ucieknie, to szansa na kasę razem z nim

[thikim 119]

Dlatego weryfikacja jest wskazana. I pójście dalej. Nie zmieni to jednak tego dokonania na które trochę już czekano.

 

 

To oznacza, że jeśli zmniejszymy ciśnienie, pozostanie on w formie metalicznej

Ciekawe co mówi teoria na temat tej metastabilności. Czy to może być osiągnięte w warunkach zbliżonych do normalnych.

[Gość Astro]

Tak podejrzewają fizycy. Kiedyś już linkowałem wykres fazowy dla wodoru, choć w innym kontekście. Tutaj polecam:

http://www.pnas.org/content/107/29/12743.figures-only

Jak zapewne zauważysz Tempik, obawy są słuszne, bo a nóż to metal ciekły, a nie stały…

[Rzech 0]

W tak ekstremalnych warunkach molekularny wodór, który składa się z molekuł umieszczonych na ciele stałym, zostaje porozrywany, a molekuły rozpadają się w wodór atomowy, który jest metalem

 

Co ma oznaczać w tym zdaniu fragment: "który składa się z molekuł umieszczonych na ciele stałym" ?

bo nie bardzo rozumiem.

 

Pozdrawiam

RJ

[TrzyGrosze 67]

Próbowałem coś sklecić na rozterkę Rzęcha w sytuacji gdy kopalniani fizycy są zajęci , oczywiście bezskutecznie, ale w naszej Wiki takie coś w temacie jest:https://pl.m.wikipedia.org/wiki/Metaliczny_wodór

W 1973 roku naukowcy radzieccy ( oczywiste ) donieśli, że zdołali uzyskać metaliczny stały wodór przy ciśnieniu 2,8 Mbar[potrzebny przypis], eksperymentu nie udało się jednak potwierdzić. Natomiast w 1996 roku amerykańscy fizycy William Nellis, Arthur Mitchell i Samuel Weir z Lawrence Livermore National Laboratory poinformowali o uzyskaniu wodoru w stanie metalicznym za pomocą działa gazowego[3].

 

A KW wtedy nie było...

[Gość Astro]

Myślę, że rzecz w czymś innym:

 

 

W tak ekstremalnych warunkach molekularny wodór, który składa się z molekuł umieszczonych na ciele stałym

Rech pyta o sens wytłuszczonej części zdania. Myślę Rzech, że się zwyczajnie czepiasz. Czyżbyś wątpił, że ziarnisty piasek pustyni składa się z ziaren?

Jeśli problemem jest "umieszczanie na ciele stałym', to polecam taki termin jak adsorpcja:

https://pl.wikipedia.org/wiki/Adsorpcja

[ex nihilo 223]

Co ma oznaczać w tym zdaniu fragment: "który składa się z molekuł umieszczonych na ciele stałym" ? bo nie bardzo rozumiem.

 

W oryginale (http://news.harvard.edu/gazette/story/2017/01/a-breakthrough-in-high-pressure-physics/) jest tak:

"At such extreme pressures, Silvera explained, solid molecular hydrogen, which consists of molecules on the lattice sites of the solid, breaks down, and the tightly bound molecules dissociate to transforms into atomic hydrogen, which is a metal."

Z tego wynika, że przy ciśnieniu trochę mniejszym od 495 GPa wodór jest ciałem stałym - molekuły H₂ tworzą jakąś tam strukturę (siatkę krystaliczną). Po przekroczeniu 495 GPa wiązania molekularne pękają i robi się z tego glutek atomowego wodoru metalicznego (jeszcze nie wiadomo czy ciekłego, czy stałego). Czyli "który składa się z molekuł umieszczonych na ciele stałym" to błąd tłumaczenia i całkiem słusznie tego nie rozumiesz

Edytowane 28 stycznia 2017 przez ex nihilo

[Gość Astro]

Ależ Nihilo. W zdaniu:

 

 

. W tak ekstremalnych warunkach molekularny wodór, który składa się z molekuł umieszczonych na ciele stałym, zostaje porozrywany, a molekuły rozpadają się w wodór atomowy

chodzi o poetyckie ujęcie przemiany fazowej, którą masz na myśli. Przed przemianą mamy jak najbardziej H₂ na ciele stałym.

(co do 459 GPa to bym się nie upierał, bo cholera wie… )

[ex nihilo 223]

 

 

Przed przemianą mamy jak najbardziej H2 na ciele stałym.

 

Nie o to chodzi... H₂ mamy na ciele stałym, pod ciałem stałym, pomiędzy ciałem stałym i samo jest ciałem stałym, ale z tego wszystkiego istotne jest tylko to ostatnie (solid molecular hydrogen, which consists of molecules on the lattice sites of the solid), czyli na nasze tłumacząc "stały molekularny wodór, który zbudowany jest z molekuł tworzących siatkę [?krystaliczną] ciała stałego" albo jeśli wolisz "z molekuł na siatce ciała stałego"

 

459 zdążyłem poprawić

[ksalem 0]

Myślałem, że na pytanie:

Co ma oznaczać w tym zdaniu fragment: "który składa się z molekuł umieszczonych na ciele stałym" ?

odpowiedzią jest:

Najpierw pomiędzy dwoma diamentowymi ostrzami naukowcy z Harvarda umieścili metalową podkładkę. Jej zadaniem było utrzymanie wodoru w odpowiednim miejscu w czasie, gdy jest on ściskany przez diamentowe ostrza.

 

[ex nihilo 223]

Tu jest oryginalny artykuł:

https://arxiv.org/pdf/1610.01634v1.pdf

 

Co do "podkładki" - nie jest to podkładka, a uszczelka (gasket), kołnierz z rodu (Rh). Próbka siedzi w dziurze w tym kołnierzu, ściskana jest pomiędzy dwoma diamentowymi "kowadełkami". Średnica próbki 8 mikronów, grubość 1,2 mikrona.

[Gość Astro]

Masz rację Nihilo (gupi ja, gupi; kajam się, bo mając oryginał przed oczyma jakoś nie poczytałem…).

 

Co do ciśnienia granicznego (niech będzie 495 GPa ) to pozostaję sceptykiem; zważ, że to nie był (o ile rozumiem) pomiar, a szacowanie. Pewnie coś kole tego (o ile w ogóle ).

[rahl 26]

Koledzy, ja nie wiem co wy z tym H₂ , wodór metaliczny to H bez żadnej dwójki.

[Gość Astro]

Spójrz na rysunek 1 pracy linkowanej przez Nihilo i "Pathway I". Zanim "dociśniemy się" do stałego metalicznego H (SMH; o ile w ogóle ), to przechodzimy przez różne fazy stałego H₂.

[Rzech 0]

Witam ponownie,

 

Bardzo wszystkim dziękuję, za próby rozwiania moich wątpliwości. Po przeczytaniu wersji oryginalnej już wiem, że to błąd tłumaczenia.

Jak rozumiem z oryginału, poniżej 495 GPa wodór jest półprzewodnikiem w fazie krystalicznej, gdzie węzłach sieci siedzą molekuły H2.

Natomiast przy wyższym ciśnieniu molekuły rozbijają się na pojedyncze atomy i mamy wodór metaliczny. Ciekawe czy też w formie kryształu?

 

Pozdrawiam

RJ

Edytowane 29 stycznia 2017 przez Rzech

[tempik 83]

jestem sceptyczny co do stabilności tak egzotycznego materiału. jeśli byłoby to możliwe to supernowe pełno tego materiału powinny rozsiać. większość wszechświata powinno błyszczeć jak dobrze wypolerowana chromowana felga.

[Rzech 0]

 

 

powinno błyszczeć jak dobrze wypolerowana chromowana felga.

 

O ile akurat Wodór zachowywał by się jak inne metale. Z tego co piszą w artykule, robi się czerwonawy.

 

RJ

[ex nihilo 223]

Ciekawe czy też w formie kryształu?

 

Trudno powiedzieć jak to jest z tą krystalicznością - i przed dociśnięciem i po. W artykule nic o tym nie zauważyłem, ale dokładnie nie czytałem, raczej "przeskanowałem".

 

Sieć krystaliczna porządnego kryształu wynika z oddziaływań międzymolekularnych i powinna być (przynajmniej co do zasady) niezależna od ciśnienia i w jakimś zakresie też od temperatury. W przypadku stałego H mamy minimum energetyczne lub bandyckie ciśnienie, czyli ta sieć (lattice) może wynikać z upakowania przestrzennego w minimalnej objętości, a nie być rzeczywistą siecią krystaliczną, chociaż może nią też być. Z faktu, że boją się wypuścić toto na wolność, można przypuszczać, że sami jeszcze nie wiedzą, czy to porządny kryształ, czy nie. Ja tam wcześniej napisałem o siatce krystalicznej (drugi raz ze znakiem zapytania), ale to raczej żeby pokazać o co w tym chodzi, a nie z przekonania, że to jest faktycznie sieć krystaliczna. W ciele bezpostaciowym też istnieje "sieć", tyle że nieregularna.

Edytowane 29 stycznia 2017 przez ex nihilo

[Rzech 0]

Sieć krystaliczna porządnego kryształu wynika z oddziaływań międzymolekularnych i powinna być (przynajmniej co do zasady) niezależna od ciśnienia i w jakimś zakresie też od temperatury.

 

To nie do końca prawda z tym "sieć krystaliczna ... powinna być niezależna od ciśnienia".

Co do układu krystalograficznego to tak, ale co do parametrów sieci to zupełnie nie.

Stała sieci (a przy tym wiele parametrów np. w przypadku półprzewodników) zawsze się zmienia wraz ze wzrostem ciśnienia.

Co "rzeczywistej sieci krystalicznej" to jednak oddziaływanie musi być, bo inaczej nie moglibyśmy mówić o półprzewodniku czy metalu,

bo one wynikają właśnie z odpowiednich pasm elektronowych w materiale.

 

Pozdrawiam

RJ

Edytowane 29 stycznia 2017 przez Rzech

[ex nihilo 223]

O układ krystalograficzny mi chodziło, a nie o parametry.

W przypadku H sytuacja w ogóle jest dosyć specyficzna i standardowe podejście nie musi się sprawdzać.

Stały metaliczny H prawdopodobnie jest nadprzewodnikiem, czyli elektrony tworzą (prawdopodobnie) kondensat par Coopera.

Mamy tu przejście od izolatora przez półprzewodnik do nadprzewodnika zależne od ciśnienia, czyli wygląda to na zależność od gęstości upakowania, powodującej rozerwanie wiązań H₂, a nie od takiej czy innej "własnej" struktury krystalograficznej, która w tym przypadku jest wymuszona. W przypadku innych przewodników i nadprzewodników tylko elektrony "swobodne" są elektronami przewodzącymi, reszta utrzymuje molekuły w węzłach sieci. W przypadku H tej "reszty" nie ma. To oczywiście w maksymalnym uproszczeniu.

Mogę się mylić, nie interesowałem się sprawą metalicznego H wcześniej. Jak będę miał wolną chwilę może poszukam czegoś fajnego do poczytania o sprawie.

 

Pozdrawiam

[Gość Astro]

Jak tam Nihilo, wgryzłeś się trochę? Pytam, bo również w te kwestie jakoś się nie wgryzałem (czasu trochę brak :/). Rzuciłem jeno patrzałkami (tylko tu i ówdzie) i jakoś niespecjalnie jestem przekonany. Sporo głosów może nie krytycznych, ale sceptycznych. No i chłopcy (jako kuci na cztery łapy doświadczalnicy) kombinują sobie z modelem Drudego. Hmm.

[ex nihilo 223]

Nie miałem kiedy i dzisiaj raczej też mi się nie uda, czym innym muszę się bawić. Podejrzewam zresztą, że rozbieżności pomiędzy modelami teoretycznymi będą duże, sprawa jest mocno nietypowa i znaczenie mogą mieć drobiazgi. Dopiero odkręcenie śrubki pokaże co i jak.

[Gość Astro]

Śrubkę odkręcą pewnie z nowym grantem.

Ze trzy prace dotyczące kwestii "dlaczego po odkręceniu śrubki jest jak jest" gwarantowane. Zawsze można po drodze ze dwie prace o lepiej kalibrowanej śrubce wcisnąć.