ما هو الهيدروجين المعدني. طاقة الهيدروجين والمعادن الحديدية

صورة لساندين ماسي يضغطان على عينة من الهيدروجين الجزيئي. عند الضغط العالي ، يصبح الهيدروجين ذريًا ، كما هو موضح على اليمين. المصدر: دياس وسيلفيرا ، 2017

في عام 1935 ، توقع العالمان يوجين وينر وبيل هنتنغتون إمكانية تحويل الهيدروجين إلى حالة معدنية تحت تأثير ضغط هائل - 250 ألف ضغط جوي. بعد ذلك بقليل ، تم تنقيح وجهة النظر هذه ، أثار الخبراء تقدير الضغط المطلوب لانتقال المرحلة. طوال هذا الوقت ، اعتبرت ظروف الانتقال قابلة للتحقيق ، وحاول العلماء "أخذ الشريط" اللازم لانتقال الهيدروجين إلى مرحلة جديدة. لأول مرة ، تمت تجربة الحصول على الهيدروجين المعدني في السبعينيات. جرت محاولات متكررة في أعوام 1996 و 2008 و 2011. تم الإبلاغ سابقًا أنه في عام 1996 ، تمكن علماء من ألمانيا من تحويل الهيدروجين إلى حالة معدنية لجزء صغير من الميكروثانية ، على الرغم من عدم موافقة الجميع على ذلك.

بالنسبة للضغط المطلوب لإنتاج الهيدروجين المعدني ، مع تطور ميكانيكا الكم والفيزياء بشكل عام ، أصبح من الواضح أن الضغط يجب أن يكون أعلى بحوالي 20 مرة مما كان يعتقد سابقًا - ليس 25 جيجا باسكال ، ولكن 400 أو حتى 500 جيجا باسكال. يُعتقد أن كميات كبيرة من الهيدروجين المعدني موجودة في قلب الكواكب العملاقة - كوكب المشتري وزحل والكواكب الكبيرة خارج المجموعة الشمسية. بسبب ضغط الجاذبية ، يجب أن يكون لب من الهيدروجين المعدني تحت طبقة الغاز. من الواضح أنه من أجل الحصول على ضغط هائل ، هناك حاجة إلى تقنيات وأساليب خاصة. كان من الممكن تحقيق النتيجة المرجوة بفضل استخدام سندان من الماس.

تم تعزيز قوة السندان بطبقة من أكسيد الألومنيوم ، والتي ثبت أنها منيعة على ذرات الهيدروجين. تم ضغط عينة الهيدروجين بين النهايتين المدببتين لسندان من الماس ، وبضغط 495 جيجا باسكال ، حقق العلماء انتقال العينة إلى طور معدني.

المصدر: دياس وسيلفيرا ، 2017

على أي حال ، كانت العينة مظلمة أولاً ، ثم بدأت في عكس الضوء. عند ضغوط منخفضة نسبيًا ، كانت العينة غير شفافة ولا تجري تيارًا. أعيدت التجربة التي أجراها إسحاق سيلفيرا ورانجا دياس. لأول مرة ، تمكن العلماء من تحقيق انتقال الهيدروجين إلى المرحلة المعدنية في منتصف عام 2016. لكن نتائج التجربة كانت بحاجة إلى تأكيد ، وتكرار التجربة. منذ تأكيد نتائج التجربة الأولية ، يمكن اعتبارها صحيحة.

يعمل العلماء على تحقيق النتيجة الحالية لعدة سنوات. فقط للوصول إلى الضغط الذي ينقسم الهيدروجين إلى ذرات فردية ، استغرق الأمر ثلاث سنوات من الفضة ودياز. الضغط المعني هو 380 جيجا باسكال.

بعد ذلك ، أدت الزيادة في الضغط إلى الحاجة إلى زيادة قوة سندان الماس الذي تم استخدامه في التجربة. للقيام بذلك ، بدأوا في رش أنحف طبقة من أكسيد الألومنيوم. بدون تعزيز القوة ، يبدأ الماس ، وهو أصعب المعادن على وجه الأرض ، في التفتت عندما يزيد الضغط عن 400 جيجا باسكال.

لقد قام العلماء بالكثير من العمل في دراسة الماس. يمكن أن يكون هناك عدة أسباب للتدمير - من عيوب في التركيب البلوري إلى تأثير الهيدروجين الأكثر انضغاطًا إلى كثافة هائلة من الهيدروجين. لحل المشكلة الأولى ، قام الخبراء بفحص هياكل البلورات بعناية تحت المجهر بتكبير عالٍ. قال سيلفيرا: "عندما نظرنا إلى الماس تحت المجهر ، وجدنا عيوبًا تجعل هذا المعدن عرضة للعوامل الخارجية". تم حل المشكلة الثانية عن طريق الرش ، مما يحد من تسرب ذرات الهيدروجين والجزيئات.

من الصعب حتى الآن تحديد شكل المعدن الذي حصل عليه البريطانيون - صلب أو سائل. هم أنفسهم يجدون صعوبة في قول ذلك ، على الرغم من أنهم يعتقدون أن الهيدروجين قد انتقل إلى طور المعدن السائل ، حيث تنبأت الحسابات بذلك. ما هم متأكدون منه هو أن عينة الهيدروجين بعد الضغط أصبحت أكثر كثافة بمقدار 15 مرة مما كانت عليه قبل الإجراء. كانت درجة حرارة الهيدروجين ، الذي تم وضعه في سندان ماسي ، 15 كلفن. بعد انتقال العنصر إلى الطور المعدني ، تم تسخينه إلى 83 كلفن ، واحتفظ بخصائصه المعدنية. تظهر الحسابات أن الهيدروجين المعدني يمكن أن يكون ثابتًا ، أي يحتفظ بخصائصه حتى بعد إضعاف العوامل الخارجية التي أدت إلى انتقال العنصر إلى الطور المعدني.

لماذا يحتاج الإنسان إلى الهيدروجين المعدني؟ يُعتقد أنه في هذه الحالة يظهر خصائص موصل فائق عالي الحرارة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام مركبات الهيدروجين المعدنية الثابتة كوقود صاروخي مدمج وفعال ونظيف. وهكذا ، عندما يمر الهيدروجين المعدني في المرحلة الجزيئية ، يتم إطلاق حوالي 20 مرة من الطاقة أكثر مما يحدث عند حرق كيلوغرام من خليط الأكسجين والهيدروجين - 216 ميجا جول / كجم.

للحصول على الهيدروجين المعدني ، كنا بحاجة إلى كمية هائلة من الطاقة. وقال مؤلفو الدراسة ، إذا قمت بتحويل الهيدروجين المعدني الذري مرة أخرى إلى حالة جزيئية ، يتم إطلاق كل هذه الطاقة حتى نتمكن من الحصول على أقوى وقود صاروخي في العالم ، مما سيحدث ثورة في علم الصواريخ. في رأيهم ، فإن الوقود الجديد ، شريطة استخدامه ، سيسهل الوصول إلى الكواكب الأخرى. سيتم إنفاق وقت السفر إليهم أقل بكثير مما هو عليه الآن ، مع استخدام التكنولوجيا الحديثة.

صور فوتوغرافية للهيدروجين الصلب عند ضغط 2.05 مليون من الغلاف الجوي (أ ، العينة شفافة ويمر الضوء من خلالها) ، 4.15 مليون غلاف جوي (ب ، العينة معتمة ، لا تعكس الضوء) ، 4.95 مليون غلاف جوي (ج ، العينة غير شفاف ، يعكس الضوء).

قام علماء الفيزياء في جامعة هارفارد بتصنيع الهيدروجين المعدني لأول مرة. لتحقيق ذلك ، قام العلماء بضغط الهيدروجين في سندان ماسي عند ما يقرب من 5 ملايين الغلاف الجوي وتبريده إلى 5.5 درجة كلن. يتوقع العلماء النظريون أن المادة يمكن أن تكون موصلًا فائقًا في درجة حرارة الغرفة ، بالإضافة إلى عدد من الخصائص الأخرى غير العادية. يشكك خبراء مستقلون في الاكتشاف. بحث منشور في المجلة علوم(ما قبل طباعة العمل) ، يتم تقديم مراجعته من قبل المجلة طبيعة.

الهيدروجين هو العنصر الأكثر وفرة في الكون. في ظل الظروف العادية ، يوجد غاز عديم اللون ، يتكون كل جسيم من ذرتين من الهيدروجين. إذا ضغطت الهيدروجين العادي بضغوط آلاف الغلاف الجوي ، فيمكنك الحصول عليه أولاً في سائل ، ثم في صورة صلبة - مادة شفافة لا توصل الكهرباء. في عام 1935 ، توقع الفيزيائيان وينر وهنتنغتون نظريًا أنه من خلال زيادة الضغط ، يمكن إجبار الهيدروجين على التحول إلى معدن.

جذبت هذه المادة انتباه المجربين نظرًا لخصائصها غير العادية - فمن ناحية ، يتوقع المنظرون الموصلية الفائقة لها في درجات حرارة قريبة من درجة حرارة الغرفة. من ناحية أخرى ، في شكل طور معدني ، يخزن الهيدروجين طاقة هائلة وهو مناسب للتخزين - هذه الخاصية مهمة لعلوم الصواريخ. بدأت محاولات تجميع المواد في النصف الثاني من القرن العشرين ، لكن لا يزال من المستحيل القول على وجه اليقين أنه تم الحصول عليها.

مخطط طور الهيدروجين. هيدروجين معدني صلب أسفل اليمين.

رانجا بي دياس ، إسحاق إف سيلفيرا / العلوم ، 2017

واحدة من المشاكل الهامة في تركيب الهيدروجين المعدني هي الضغوط العالية اللازمة لانتقال المرحلة. توقع Wigner و Huntington أنه يجب تحويل الهيدروجين ثنائي الذرة الجزيئي إلى هيدروجين أحادي الذرة عند ضغوط تبلغ حوالي 250000 من الغلاف الجوي ودرجات حرارة منخفضة. هذا أكبر بحوالي 250 مرة من الضغط في قاع خندق ماريانا. ومع ذلك ، فقد أظهرت التجارب أن هذا التقدير ليس صحيحًا. تتنبأ الأبحاث الحديثة بضغط انتقال طور من 4 إلى 5 ملايين ضغط جوي - وهذا يعادل الضغط الذي يمارسه جسم بكتلة فيل ، يقف على إبرة بمساحة سطح طرف أقل من 1. ملليمتر مربع.

يدعي مؤلفو العمل الجديد أنهم كانوا قادرين على تصنيع الهيدروجين المعدني الصلب باستخدام سندان ماسي ، مما خلق ضغطًا قدره 4.95 مليون ضغط جوي في خلية مبردة بواسطة الهيليوم السائل. هذا الجهاز عبارة عن زوج من الماس عالي الجودة ، مع حواف سندان أرضي مستوية. يتم ضغطها عن طريق الشد في براغي فولاذية طويلة.

مخطط التجربة

ر.دياس و آي إف. سيلفيرا

في السابق ، قام فريق العلماء بجامعة هارفارد بالفعل بمحاولات لتصنيع الهيدروجين المعدني - في سياق التجارب ، اكتشف الفيزيائيون العديد من المشكلات التي تعقد تحقيق الضغوط العالية. بادئ ذي بدء ، الهيدروجين قادر على اختراق الماس وجعله أكثر هشاشة. مع زيادة الضغط ، يؤدي هذا إلى تدمير "السندان". ثانيًا ، يمكن أن يؤدي إشعاع الليزر المستخدم لمراقبة حالة الخلية أيضًا إلى تدمير الماس (على سبيل المثال ، يمكن للأشعة تحت الحمراء تحويل الماس إلى جرافيت). لتجنب هذه الصعوبات ، قام المؤلفون بتعديل التجربة التقليدية.

قام الفيزيائيون بتغطية أسطح الألماس بألومينا غير متبلورة (بسمك 50 نانومتر) لمنع انتشار الهيدروجين. بالإضافة إلى ذلك ، تم تقليل استخدام إشعاع الليزر في التجربة - تم تقدير الضغوط بناءً على عدد دورات المروحة.

راقب العلماء التغيرات في العينة باستخدام المجهر. في مليوني الغلاف الجوي ، كان الهيدروجين مادة صلبة شفافة. عند 4.15 مليون الغلاف الجوي ، أغمقت العينة وتوقفت عن إرسال الضوء. عند ضغط 4.95 مليون ضغط جوي ، وجد المؤلفون أن العينة أصبحت حمراء وبدأت تعكس الضوء جيدًا. من البيانات الطيفية ، حدد الفيزيائيون أن تركيزًا كبيرًا من ناقلات الشحن المجاني نشأ في الهيدروجين الصلب (7.7 ± 1.1 × 10 23 جسيمًا لكل سنتيمتر مكعب) - أكثر بعشر مرات من تركيز الليثيوم أو الصوديوم أو البوتاسيوم (الفلزات القلوية). وفقًا للعلماء ، فإن هذا يؤكد الطبيعة المعدنية للمادة.

يشك الخبراء المستقلون ، الذين يشاركون أيضًا في "السباق" لتخليق الهيدروجين المعدني ، في موثوقية العمل. أولاً ، تم إجراء تجربة تركيب الهيدروجين المعدني مرة واحدة فقط ولم يتم إعادة إنتاجها. ثانيًا ، يمكن لطلاء أكسيد الألومنيوم أن يلعب دورًا - ليس هناك من يقين أن المادة لم يتم اختزالها إلى الألومنيوم المعدني. يشير Evgeny Gregoryants ، وهو طور طليعي للهيدروجين المعدني قبل عام ، إلى أن القياسات التفصيلية لحالة الخلية تمت فقط عند ضغوط الذروة. بناءً عليها ، من المستحيل الحكم بشكل موثوق على الضغط الذي تم الوصول إليه ، وكذلك على أساس عدد ثورات المسمار.

تكرار التجربة واختبارات إضافية يمكن أن يقنع الخبراء. وفقًا لإسحاق سيلفر ، المؤلف المشارك للعمل ، فإن قرار نشر الورقة بعدد محدود من الاختبارات التأكيدية كان بسبب حقيقة أن العينة يمكن إتلافها أثناء العمل الإضافي معها. الآن وقد تم نشر الدراسة ، يخطط الفيزيائيون لتحليل تشتت رامان من الهيدروجين المعدني واختبارات أخرى.

هذا ليس أول بيان للعلماء حول تخليق الهيدروجين المعدني. في يوليو 2016 ، قامت مجموعة من الباحثين بقيادة إسحاق سيلفر حول تخليق الهيدروجين المعدني السائل (وانتقدوا أيضًا). في عام 2011 ، أعلن ميخائيل إيريمتس وإيفان ترويان عن تركيب المادة من المعهد الكيميائي لجمعية ماكس بلانك ، ومع ذلك ، وفقًا للكيميائيين ، لم يتم تلقي تأكيد موثوق به بعد. يُعتقد أنه يمكن العثور على الهيدروجين المعدني السائل ، على سبيل المثال ، في أحشاء كوكب المشتري.

فلاديمير كوروليف

وزارة التربية والتعليم والعلوم في الاتحاد الروسي

الوكالة الاتحادية للتعليم

مؤسسة تعليمية حكومية

المعهد العالي المهني OSU

عمل الدورة

الهيدروجين المعدني

أكمله طالب

المجموعات 08Phys (b)

بيكوجينا إيكاترينا

فحص بواسطة: Arifullin M.R.

مقدمة

الهيدروجين المعدني

تخصيب المواد بالهيدروجين - الطريق إلى "معدنة"

3. طبقة من الهيدروجين المعدني بالقرب من المشتري

4. الهيكل الداخلي لكوكب المشتري

خاتمة

الأدب

مقدمة

كما تعلم ، في ظل الظروف العادية (على سبيل المثال ، عند الضغط الجوي) ، يتكون الهيدروجين من جزيئات ، يغلي عند Tc \ u003d 20.3 K ويتصلب عند Tt = 14 K. كثافة الهيدروجين الصلب هي p \ u003d 0.076 جم / سم 3 وهو عازل. ومع ذلك ، تحت ضغط قوي بما فيه الكفاية ، عندما يتم سحق الأصداف الذرية الخارجية ، يجب أن تنتقل جميع المواد إلى الحالة المعدنية. يمكن الحصول على تقدير تقريبي لكثافة الهيدروجين المعدني بافتراض أن المسافة بين البروتونات في حدود نصف قطر بوهر. تؤدي الحسابات الكمية ، وإن كانت غير موثوقة ، إلى كثافة أقل: على سبيل المثال ، وفقًا لـ ، الهيدروجين الجزيئي في حالة توازن ديناميكي حراري مع الهيدروجين المعدني عند ضغط p = 2.60 Mbar ، عندما تكون كثافة الهيدروجين المعدني p = 1.15 جم / سم 3(كثافة الهيدروجين الجزيئي في هذه الحالة ص = 0.76 جم / سم 3). وفق )