Hidrogen metalic este o etapă a hidrogenului care are loc atunci când este supus unei puternice presiuni . Acesta este un exemplu de materie degenerată . Se estimează că există o gamă de presiuni (în jur de 400 GPa ) astfel încât hidrogenul metalic este lichid , chiar și la temperaturi foarte scăzute.
Hidrogenul metalic constă dintr-o rețea de nuclei atomici , protoni , a căror distanță este semnificativ mai mică decât raza Bohr . Într-adevăr, distanța este mai comparabilă cu lungimea de undă a electronului (vezi unde materie ). Acești electroni nu sunt legați și, prin urmare, se comportă ca electronii unui metal conductor .
Hidrogenul metalic ar putea prezenta tranziții de fază în prezența unui câmp magnetic , trecând de la o stare supraconductoare la o stare superfluidă și invers.
Deși hidrogenul se află chiar în partea de sus a tabelului periodic , în partea de sus a coloanei de metal alcalin , nu este, în condiții normale . În 1935 , viitorul laureat al Premiului Nobel Eugene Wigner a prezis, împreună cu HB Huntington , că în condiții de presiune imensă, atomii de hidrogen se vor alătura grupului lor din tabelul periodic, abandonând astfel legătura strânsă cu electronul lor .
Presiunea necesară a făcut atunci verificările experimentale aproape imposibile. În plus, predicțiile lor despre presiunea necesară nu au fost suficient de mari.
Experimentele pentru producerea hidrogenului metalic continuă în laborator. În 1998 , Arthur Ruoff și Chandrabhas Narayana de la Universitatea Cornell și, în 2002 , Paul Loubeyre și René LeToullec de la Comisia franceză pentru energie atomică , au dovedit că la presiuni apropiate de cele predominante în centrul Pământului (3,2 până la 3,4 milioane de atmosfere) și la temperaturi de 100 până la 300 K, hidrogenul nu este încă un metal alcalin . Cercetările pentru observarea hidrogenului metalic în laborator continuă, la mai mult de 70 de ani de la prezicerea existenței sale.
În Martie 1996, cercetătorii de la Laboratorul Național Lawrence Livermore au raportat că au produs hidrogen metalic prin serendipitate . Timp de aproximativ o microsecundă , temperaturile de mii de Kelvin și presiunile a milioane de atmosfere (> 100 GPa ) ar fi produs hidrogen metalic identificabil. Metalul astfel produs nu se comportă ca un metal alcalin.
ContextCercetătorii echipei lui Lawrence Livermore nu intenționau să producă hidrogen metalic, deoarece nu foloseau hidrogenul solid, care trebuia să fie necesar, și lucrau peste temperaturile indicate de teoria metalizării . Mai mult, în studiile anterioare că hidrogenul solid a fost comprimat în nicovalele diamantate la presiuni de până la 2,5 milioane de atmosfere (~ 253 GPa ), nu s-a observat nicio metalizare vizibilă. Echipa căuta doar să măsoare schimbările mai puțin extreme de conductivitate pe care le-au prezis.
Detalii experimentaleCercetătorii au folosit arme cu gaz ușor (utilizate inițial în rachetele ghidate din anii 1960 ) pentru a trage o placă de impact plasată într-un recipient sigilat de hidrogen lichid gros care conține o probă de jumătate de milimetru . Mai întâi, la un capăt al pistolului, hidrogenul a fost răcit la aproximativ 20 K în interiorul unui vas care conținea o baterie conectată prin fire la o bobină Rogowski și la un osciloscop ; firele ating, de asemenea, suprafața hidrogenului în mai multe locuri, astfel încât dispozitivul poate fi utilizat pentru a măsura și înregistra conductivitatea sa electrică . La capătul opus, se aprinde până la 3 kg de pulbere . Explozia rezultată împinge pistonul unei pompe și comprimă gazul din interior. Gazul atinge apoi o presiune suficient de mare pentru a deschide o supapă la capătul opus al camerei. Pătrunzând „butoiul” subțire, a propulsat placa de impact metalică acoperită cu plastic în recipient la o viteză de 8 km / s, comprimând hidrogenul din interior.
RezultateOamenii de știință au fost uimiți să constate că atunci când presiunea a atins 1,4 milioane de atmosfere ( 142 GPa ), distanța de bandă a energiei electronice (o măsură a rezistivității electrice) scade aproape la zero.
Spațiul electronic al benzii de energie a hidrogenului în starea sa necomprimată este de aproximativ 15 eV , ceea ce îl face un izolator , dar pe măsură ce presiunea crește, decalajul de bandă scade treptat la 0, 3 eV. Deoarece 0,3 eV este furnizat de energia termică a fluidului (temperatura a crescut la aproximativ 3000 K datorită comprimării probei), hidrogenul poate fi considerat în acest moment în întregime metalic.
În 2011, Eremets și Troyan au anunțat că au identificat starea lichidă metalică a hidrogenului ( protiului ) și a deuteriului la presiuni statice de 2.600.000-300.000 atm (263.445-303.975 GPa ). Anunțul este pus la îndoială de alți cercetători în 2012.
În 2015, a fost anunțată descoperirea deuteriului metalic de către mașina Z.
Isaac Silvera și Ranga Dias , de la Universitatea Harvard , au susținut că au obținut hidrogen metalic folosind nicovalele de diamant la o presiune de 495 GPa . Acest studiu a fost publicat în Science on26 ianuarie 2017 dar este pus la îndoială de alte echipe care lucrează în același domeniu de cercetare.
O echipă franco-americană raportează că ar fi reușit, prin utilizarea a 168 de raze laser, permițând o presiune egală cu 5 milioane de ori mai mare decât atmosfera noastră, să producă hidrogen metalic.
Folosind o celulă diamantată special concepută astfel încât presiunea să fie cunoscută cu o incertitudine scăzută, o echipă franceză obține la 80 K și 425 GPa o tranziție de fază reversibilă a hidrogenului solid, caracterizată printr-o schimbare bruscă a reflectanței în infraroșu . Aceasta este cel mai probabil tranziția moleculară hidrogen-hidrogen metalic, deși configurarea experimentală nu permite măsurarea conductivității electrice pentru a confirma acest lucru.
Se crede că hidrogenul metalic este prezent în cantități enorme în interiorul lui Jupiter , Saturn și în unele exoplanete . Interiorul acestor planete este supus unor forțe gravitare de compresie semnificative .
Modelele interioare ale acestor planete presupuseseră că hidrogenul s-a metalizat la presiuni mai mari decât cele descoperite ulterior. Drept urmare, miezul metalic al lui Jupiter este mai aproape de suprafață decât era de așteptat și, prin urmare , câmpul său magnetic , cea mai puternică dintre toate planetele din sistemul solar , este, de asemenea, produs mai aproape de suprafață decât se aștepta.
O modalitate de a produce fuziunea nucleară este de a concentra laserele pe bucăți de izotopi de hidrogen. O mai bună înțelegere a comportamentului hidrogenului în condiții extreme ar putea contribui la creșterea eficienței energetice a acestui proces.
Ar putea fi posibil să se producă cantități considerabile de hidrogen metalic pentru profit. Deoarece diamantul este o transformare a grafitului prin compresie, care este dificil de transformat din nou prin decompresie, deoarece retransformarea ar necesita o cantitate mare de energie, o teorie prezice existența unei forme de hidrogen, numită hidrogen metalic metastabil , care nu ar reveni ... care cu greu la starea sa normală de hidrogen atunci când este decomprimat. Având limita elastică a aluminiului și o treime din densitatea sa , această formă de hidrogen ar putea fi utilizată pentru a produce automobile foarte ușoare, cu un consum ridicat de combustibil.
În plus, ar putea fi folosit ca combustibil în sine . Destul de curat, ar avea doar oxizi de apă și azot ca produs al arderii. Este de nouă ori mai dens decât hidrogenul normal și ar produce energie considerabilă atunci când reia această formă. Ars mai repede, ar fi un combustibil de cinci ori mai eficient decât combinația de hidrogen lichid și oxigen lichid folosită de naveta spațială . Hidrogenul metalic produs a fost produs doar prea scurt pentru a se determina metastabilitatea acestuia.
O teorie este că hidrogenul metalic este un supraconductor la temperaturi la fel de ridicate ca temperatura camerei normale (290 K). Acest lucru este mult mai mare decât pentru orice alt candidat la superconductivitate. Dar este îndoielnic că putem trage aplicații industriale din acesta, presiunea necesară pentru menținerea hidrogenului sub formă metalică la temperatura camerei fiind foarte greu de întreținut, mult mai mult decât pentru menținerea temperaturii scăzute necesare pentru alți supraconductori.
În 2016, Institutul Carnegie pentru Știință pare să fi făcut noi descoperiri care implică un compus sodiu-hidrogen despre care se spune că prezintă caracteristici și structuri metalice unice, precum și proprietăți supraconductoare.