Какво е метален водород? Водородна енергетика и черна металургия
Изображение на диамантени наковални, компресиращи проба от молекулярен водород. При високо налягане водородът става атомен, както е показано вдясно. Източник: Dias & Silvera, 2017 г
През 1935 г. учените Юджийн Вигнер и Бел Хънтингтън прогнозират възможността за превръщане на водорода в метално състояние под въздействието на огромно налягане - 250 хиляди атмосфери. Малко по-късно тази гледна точка беше преразгледана, експертите увеличиха оценката на налягането, необходимо за фазов преход. През цялото това време условията на преход се считаха за постижими и учените се опитаха да „вземат летвата“, необходима за прехода на водорода към нова фаза. Металният водород е направен за първи път през 70-те години. Повторни опити са направени през 1996, 2008 и 2011 г. По-рано беше съобщено, че през 1996 г. учени от Германия успяха да превърнат водорода в метално състояние за част от микросекунда, въпреки че не всички са съгласни с това.
Що се отнася до налягането, необходимо за производството на метален водород, с развитието на квантовата механика и физиката като цяло стана ясно, че налягането трябва да бъде около 20 пъти по-високо от предполагаемото – не 25 GPa, а 400 или дори 500 GPa. Вярва се, че големи количестваМеталният водород присъства в ядрата на гигантските планети - Юпитер, Сатурн и големите извънслънчеви планети. Поради гравитационната компресия, под газовия слой трябва да има ядро от метален водород. Ясно е, че за да се получи гигантски натиск, са необходими специални технологии и методи. Желаният резултат беше постигнат чрез използването на две диамантени наковални.
Здравината на наковалнята беше подсилена от покритие от алуминиев оксид, което се оказа непроницаемо за водородните атоми. Водородна проба беше компресирана между заострените краища на две диамантени наковални и при налягане от 495 GPa учените постигнаха прехода на пробата в метална фаза.
Източник: Dias & Silvera, 2017 г
Във всеки случай пробата първо потъмня и след това започна да отразява светлината. При относително ниски ставкиПод налягане пробата беше непрозрачна и не провеждаше ток. Експериментът, проведен от Айзък Силвера и Ранга Диас, беше повторен. Учените успяха да постигнат прехода на водорода в метална фаза за първи път в средата на 2016 г. Но резултатите от експеримента се нуждаеха от потвърждение и повторен експеримент. Тъй като резултатите от първоначалния експеримент бяха потвърдени, те могат да се считат за верни.
Учените работят за настоящия резултат от няколко години. На Силвър и Диас им отне три години, за да достигнат налягането, при което водородът се разпада на отделни атоми. Въпросното налягане е 380 GPa.
След това увеличаването на налягането предполага необходимост от укрепване на здравината на диамантените наковални, използвани в експеримента. За да направят това, те започнаха да пръскат тънък слой от алуминиев оксид. Без укрепване, диамантите, които са най-твърдите минерали на Земята, започват да се счупват, когато налягането се увеличи над 400 GPa.
Учените са свършили много работа, изучавайки диамантите. Причините за разрушаването може да са няколко - от дефекти в кристалната структура до влиянието на самия водород, компресиран до огромна плътност. За да решат първия проблем, специалистите внимателно изследвали кристалните структури под микроскоп с голямо увеличение. „Когато погледнахме диаманта под микроскоп, открихме дефекти, които правят този минерал уязвим на външни фактори“, каза Силвера. Вторият проблем беше решен с помощта на разпрашване, което предотвратява изтичането на водородни атоми и молекули.
Все още е трудно да се каже каква форма на метал са получили британците - твърда или течна. Самите те се затрудняват да кажат, въпреки че смятат, че водородът е преминал в течна метална фаза, тъй като това се предвижда от изчисления. Това, в което са сигурни е, че водородната проба след компресия е станала 15 пъти по-плътна, отколкото преди началото на процедурата. Температурата на водорода, който беше поставен в диамантена наковалня, беше 15 К. След като елементът премина в метална фаза, той беше нагрят до 83 K и запази металните си свойства. Изчисленията показват, че металният водород може да бъде метастабилен, тоест да запази свойствата си дори след това външни фактори, което доведе до прехода на елемента към металната фаза, ще бъде отслабено.
Защо човек се нуждае от метален водород? Смята се, че в това състояние той проявява свойствата на високотемпературен свръхпроводник. В допълнение, метастабилните метални водородни съединения могат да се използват като компактно, ефективно и чисто ракетно гориво. Така при преминаване на металния водород в молекулярната фаза се отделя приблизително 20 пъти повече енергия, отколкото при изгаряне на килограм смес от кислород и водород - 216 MJ/kg.
„Имахме нужда от огромно количество енергия, за да произведем метален водород. И ако преобразувате атомния метален водород обратно в молекулярно състояние, цялата тази енергия се освобождава, така че можем да създадем най-мощното ракетно гориво в света, което ще революционизира ракетната наука“, казаха авторите на изследването. Според тях новото гориво, ако се използва, ще улесни достигането до други планети. Времето, прекарано в пътуване до тях, ще бъде много по-малко, отколкото сега, с помощта на модерни технологии.
Снимки на твърд водород при налягане от 2,05 милиона атмосфери (a, пробата е прозрачна и светлината преминава през нея), 4,15 милиона атмосфери (b, пробата е непрозрачна, не отразява светлина), 4,95 милиона атмосфери (c, пробата е непрозрачен, отразява светлината).
Физици от Харвардския университет за първи път синтезираха метален водород. За да постигнат това, учените компресираха водород в диамантена наковалня под налягане от почти 5 милиона атмосфери и го охладиха до 5,5 келвина. Теоретиците прогнозират, че материалът може да се окаже свръхпроводник при стайна температура, както и да има редица други необичайни свойства. Независими експерти поставят под въпрос откритието. Проучването е публикувано в сп Наука(предпечат на труда), рецензията му се предоставя от сп Природата.
Водородът е най-разпространеният елемент във Вселената. При нормални условия той съществува като безцветен газ, всяка частица от който се състои от два водородни атома. Ако компресирате обикновен водород под налягане от хиляди атмосфери, можете да го получите първо в течна, а след това в твърда форма - прозрачен, непроводим материал. През 1935 г. физиците Уигнър и Хънтингтън теоретично прогнозират, че чрез допълнително увеличаване на налягането водородът може да бъде принуден да се трансформира в метално състояние.
Този материал привлече вниманието на експериментаторите поради своята необичайни свойства- от една страна, теоретиците прогнозират свръхпроводимост при температури, близки до стайната. От друга страна, под формата на метална фаза, водородът съхранява огромна енергия и е удобен за съхранение - това свойство е важно за ракетната наука. Опитите за синтезиране на материала започват през втората половина на 20 век, но все още не може да се каже със сигурност, че е получен.
Фазова диаграма на водорода. Твърдият метален водород е долу вдясно.
Ранга П. Диас, Айзък Ф. Силвера / Наука, 2017 г
Един от важните проблеми при синтеза на метален водород са високите налягания, необходими за фазовия преход. Уигнър и Хънтингтън прогнозираха, че молекулярният двуатомен водород трябва да се трансформира в метален моноатомен водород при налягане от около 250 хиляди атмосфери и ниски температури. Това е около 250 пъти повече от налягането в дъното на Марианската падина. Експериментите обаче показват, че тази оценка не е вярна. Съвременните изследвания прогнозират налягане на фазов преход от 4-5 милиона атмосфери - това е еквивалентно на налягането, упражнявано от обект с масата на слон, стоящ върху игла с повърхност на върха по-малка от квадратен милиметър.
автори нова работатвърдят, че са успели да синтезират твърд метален водород с помощта на диамантена наковалня, която създава налягане от 4,95 милиона атмосфери в клетка, охлаждана с течен хелий. Това устройство представлява чифт висококачествени диаманти с плоско шлифовани ръбове на наковалнята. Те се компресират чрез завинтване на дълги стоманени винтове.
Експериментален дизайн
Р. Диас и И.Ф. Силвера
Преди това екип от учени от Харвард вече се опита да синтезира метален водород - по време на експерименти физиците идентифицираха няколко проблема, които усложняват постигането на високо налягане. На първо място, водородът е способен да проникне в диаманта и да го направи по-крехък. С увеличаване на налягането това води до разрушаване на наковалнята. Второ, лазерното лъчение, използвано за наблюдение на състоянието на клетката, също може да доведе до разрушаване на диаманта (например инфрачервеното лъчение може да превърне диаманта в графит). За да избегнат тези трудности, авторите модифицираха традиционния експеримент.
Физиците покриха диамантените повърхности с аморфен алуминиев оксид (с дебелина 50 нанометра), за да предотвратят дифузията на водород. В допълнение, използването на лазерно лъчение в експеримента беше сведено до минимум - наляганията бяха оценени въз основа на броя на завъртанията на винта.
Учените наблюдават промените в пробата с помощта на микроскоп. При два милиона атмосфери водородът беше прозрачно твърдо вещество. При 4,15 милиона атмосфери пробата потъмнява и престава да пропуска светлина. При налягане от 4,95 милиона атмосфери авторите установяват, че пробата става червеникава и започва да отразява добре светлината. От спектрални данни физиците установиха, че в твърдия водород възниква голяма концентрация на свободни носители на заряд (7,7 ± 1,1 × 10 23 частици на кубичен сантиметър) - десетки пъти повече от тази на литий, натрий или калий (алкални метали). Според учените това потвърждава металната природа на материала.
Независими експерти, също участващи в „надпреварата“ за синтез на метален водород, се съмняват в надеждността на работата. Първо, експериментът за синтез на метален водород е проведен само веднъж и не е възпроизведен. Второ, покритието от алуминиев оксид може да е изиграло роля - не е сигурно, че материалът не е редуциран до метален алуминий. Евгений Грегорянц, преди година фазата на прекурсора на металния водород, също отбелязва, че подробни измервания на състоянието на клетката са направени само при пикови стойности на налягането. Въз основа на тях е невъзможно да се прецени надеждно постигнатото налягане, както и въз основа на броя на оборотите на винта.
Повтарянето на експеримента и допълнителните тестове могат да убедят експертите. Според Айзък Силвър, съавтор на работата, решението да се публикува хартията с ограничен брой потвърждаващи тестове се дължи на факта, че пробата може да бъде унищожена по време на по-нататъшна работа с нея. Сега, след като изследването е публикувано, физиците планират да анализират рамановото разсейване върху метален водород и други тестове.
Това не е първият път, когато учени обявяват синтеза на метален водород. През юли 2016 г. група изследователи, ръководени от Исак Силвър, докладваха за синтеза на течен метален водород (и също бяха критикувани). През 2011 г. синтезът на материала беше обявен от Михаил Еремец и Иван Троян от Химическия институт на обществото Макс Планк, но според химиците все още не е получено надеждно потвърждение. Смята се, че течен метален водород може да бъде намерен например в дълбините на Юпитер.
Владимир Королев
Министерство на образованието и науката на Руската федерация
Федерална агенция за образование
състояние образователна институция
Професионално висше заведение OSU
Метален водород
Попълнено от ученик
Групи 08 Phys(b)
Пичугина Екатерина
Проверено от: Arifullin M.R.
Въведение
Метален водород
Обогатяването на веществата с водород е пътят към неговата „метализация“
3. Слой от метален водород близо до Юпитер
4. Вътрешна структураЮпитер
Заключение
Литература
Въведение
Както е известно, при нормални условия (например при атмосферно налягане) водородът се състои от молекули, кипи при Tc = 20,3 K и се втвърдява при Tt = 14 K. Плътността на твърдия водород е p = 0,076 g/cm 3 и е диелектрик. Въпреки това, при достатъчно силно компресиране, когато външните атомни обвивки са смачкани, всички вещества трябва да преминат в метално състояние. Груба оценка на плътността на металния водород може да се получи, ако приемем, че разстоянието между протоните е от порядъка на радиуса на Бор. Количествените, макар и ненадеждни, изчисления водят до по-ниска плътност: например, според, молекулният водород е в термодинамично равновесие с металния водород при налягане p = 2,60 Mbar, когато плътността на металния водород е p = 1,15 g/cm 3(плътност на молекулярния водород в този случай p = 0,76 g/cm 3). Според )
Зареждане...