La pression est de faire un atome d'hydrogène métallique, Nouvelles Sciences
Dans quelques laboratoires hautement spécialisés, scientifiques bombardent la matière avec des impulsions électriques les plus puissantes du monde ou zapper avec des lasers sophistiqués. D'autres laboratoires presser les diamants lourds ensemble assez difficile de les casser.
Tout cela est à la recherche d'un métal précieux. Ce n'est pas l'or, l'argent ou le platine. La carrière de scientifiques est l'hydrogène dans son plus insaisissable des formes.
Plusieurs équipes rivales cherchent à transformer l'hydrogène, habituellement un gaz, dans un métal. Il est un gros enjeux, recherche de haute passion qui étincelles rêve d'un nouveau matériau très convoité qui pourrait débloquer d'énormes avancées technologiques dans l'électronique.
hydrogène métallique sous sa forme solide, les scientifiques proposent, pourrait être un supraconducteur: un matériau qui permet aux électrons de circuler à travers elle sans effort, sans perte d'énergie. Tous connus ne fonctionnent que superconducteurs à des températures extrêmement basses, un inconvénient majeur. Théoriciens soupçonne que l'hydrogène métallique supraconducteur peut fonctionner à la température ambiante. Un supraconducteur à température ambiante est l'un des objectifs les plus recherchés avec avidité en physique; il offrirait d'énormes économies d'énergie et d'importantes améliorations dans la transmission et le stockage de l'énergie.
L'importance de l'hydrogène métallique va au-delà activités terrestres. Le matériel pourrait aussi aider les scientifiques à comprendre notre propre système solaire. A des températures élevées, de l'hydrogène comprimé devient un liquide métallique - une forme qui est considérée comme se cachent sous les nuages de planètes de gaz monstrueuses, comme Jupiter et Saturne. Le tri des propriétés de l'hydrogène à la chaleur extrême et haute pression pourrait résoudre certains casse-têtes persistants sur les géants du gaz. Les chercheurs ont rapporté de brefs aperçus de la forme de métal liquide d'hydrogène dans le laboratoire - bien que des questions subsistent sur la vraie nature du matériau.
Bien qu'aucun laboratoire n'a encore produit l'hydrogène métallique solide, les efforts combinés de nombreux scientifiques se ferment rapidement sur une compréhension plus complète de l'élément lui-même - ainsi que de mieux comprendre le fonctionnement interne des solides complexes.
Pas si simple
L'hydrogène, le premier élément du tableau périodique et l'élément le plus commun dans l'univers, doit être facile à comprendre: un seul proton associé à un seul électron. « Ce qui pourrait être plus simple que d'un ensemble d'électrons et de protons? » Demande le physicien théoricien Neil Ashcroft de l'Université Cornell. Mais à des pressions élevées, la physique de l'hydrogène devient rapidement complexe.
A température ambiante et sous pression atmosphérique, de l'hydrogène est un gaz. Mais comme d'autres matériaux, les conditions modifiées peuvent transformer l'hydrogène en un solide ou un liquide. Avec des températures suffisamment basses ou une compression suffisamment énergique, les changements de forme de l'hydrogène en un solide. Ajouter la chaleur tout en serrant, et il devient un liquide.
Si encore soumises à des conditions plus extrêmes, un atome d'hydrogène peuvent - au moins théoriquement - subir une autre transformation, en un métal. Tous les métaux ont une chose en commun: ils conduisent l'électricité, en raison des électrons libres écoulement qui peuvent aller où bon leur semble dans la matière.
formes exotiques d'hydrogène
Dans des conditions normales, dans une région trop petite pour être vu sur ce tableau, l'hydrogène est un gaz. A des températures très élevées, il devient liquide. A des pressions élevées, il est un solide dans l'une de plusieurs phases. Les scientifiques espèrent qu'il deviendra un métal solide à des pressions pas encore atteint.
Source: I.F. Silvera / Harvard Univ.
Pincez quoi que ce soit assez dur et il deviendra un métal. « La pression fait un excellent travail de délogeant les électrons externes », dit Ashcroft. C'est ce que les scientifiques ont pour objectif de faire avec de l'hydrogène: créer une soupe ballottement d'électrons soit dans un roving liquide ou solide.
Lorsque l'hydrogène est comprimé, de nombreux atomes commencent à interagir les uns avec les autres, tandis que dans les molécules appariées de deux atomes d'hydrogène chacun. La physique sous-jacente devient un pêle-mêle épineux. "C'est étonnant; les choses prend des dispositions extrêmement complexes à l'état solide », dit Ashcroft, le premier scientifique à proposer, en 1968, que l'hydrogène métallique pourrait être un supraconducteur à haute température.
La complexité de l'hydrogène fascinent les scientifiques. « Il n'y a pas que la question de métallisation qui est d'intérêt pour moi », dit Russell Hemley, chimiste à l'Institution Carnegie pour la science à Washington, DC et Lawrence Livermore National Laboratory en Californie. En étudiant les subtilités du comportement de l'hydrogène peut aider les scientifiques à affiner leur compréhension de la physique des matériaux.
Les scientifiques à l'origine prévu que la transition serait un simple mouvement de comportement métallique. Pas, dit le physicien théoricien David Ceperley de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign. « La nature a beaucoup plus de possibilités. » Hydrogène solide existe sous de multiples formes, chacune avec une structure cristalline différente. Comme les montées de pression, les molécules d'hydrogène se déplacent dans des arrangements astucieux de plus en plus complexes, ou des phases. (Pour les physiciens, la « phase » de la matière va plus loin que les simples états solides, liquides ou gaz.) Le nombre de phases solides connues de l'hydrogène a augmenté de façon constante que des pressions plus élevées sont atteintes, en quatre phases maintenant bien établies. Les scientifiques trouvent la phase suivante pourrait être un métal - ils espèrent.
L'histoire continue ci-dessous chronologie
Calendrier: La course pour faire hydrogène métallique
équipes de recherche Rival se précipitent pour transformer l'hydrogène liquide ou solide dans un métal. Avec chaque expérience, la pression monte. Ils ont deux objectifs très différents: un supraconducteur à température ambiante et une fenêtre dans les géants du gaz.
Tandis qu'un groupe de métallurgistes serait-être est à la recherche de métal solide, d'autres chercheurs cherchent le métal d'hydrogène liquide scientifiquement intéressant. Leurs techniques diffèrent en échelle de temps et la taille. Pour produire un métal liquide, les scientifiques claquent violemment l'hydrogène pour les fractions de seconde à la fois, en utilisant des machines énormes dans les laboratoires nationaux. Les scientifiques à la recherche d'un métal solide, d'autre part, utiliser des dispositifs de taille d'un poing pour capturer l'hydrogène entre les extrémités de deux petits diamants et presser lentement.
Les diamants ont rugueux
Broyage une éthérée, substance gazeuse normalement entre deux diamants semble presque impossible. Ces expériences délicates font un domaine où les chercheurs sont en désaccord régulier sur leurs derniers résultats. « Nous sommes toujours portés disparus de haute qualité, des données fiables », explique le physicien Alexander Goncharov. « La question est les expériences sont trop difficiles. »
Dans son bureau au Laboratoire Géophysique de la Carnegie Institution, Goncharov ouvre un tiroir et sort un dispositif appelé une cellule d'enclume de diamant. Le cylindre de métal est assez petit pour Goncharov au berceau dans sa paume. Bits d'acier usinées avec précision et de carbure de tungstène dur sont maintenus ensemble par quatre vis. Grâce à des portails en haut et en bas, scintille lumineux scintillent: diamants.
A l'intérieur de la capsule, deux diamants se rétrécissent à des points minuscules quelques centièmes de millimètre. Ils pincent le matériau à l'intérieur, l'écraser à plus d'un million de fois la pression atmosphérique. L'écart entre les enclumes minuscules peut être aussi petit que quelques millièmes de millimètre, de la taille d'un globule rouge humain.
Une fois qu'ils ont été mis sous pression, les cellules enclume de diamant maintenir la pression presque indéfiniment. Les cellules préparées peuvent être effectuées autour - inspectés dans le laboratoire, transportés vers des installations spécialisées dans le monde entier - ou simplement stockées dans un tiroir de bureau. Goncharov se déplace régulièrement avec eux. (Conseil du scientifique itinérant: Si des questions se posent à la sécurité de l'aéroport, « « diamants » ne jamais utiliser le mot ») L'enclume de diamant peut presser plus que l'hydrogène - matériaux de fer à sodium à l'argon peut être écrasé dans l'étau de diamant.
dans les conditions difficiles
Appareils optiques en sandwich une cellule à enclume de diamant (à gauche). A l'intérieur, deux diamants pincer un échantillon (à droite, point violet), tel que l'hydrogène, le fer ou le sodium.
Pour identifier de nouvelles phases potentiellement métalliques d'hydrogène solide à l'intérieur des capsules sous pression, les scientifiques briller une lumière laser sur le matériau, la mesure de la façon dont les molécules vibrent et tournent - une technique appelée spectroscopie Raman (SN: 02/08/08, p 22.). Si une nouvelle phase est atteinte, les molécules se déplacent configurations, modifier la façon dont ils se trémousser. Certains types de changements dans la façon dont les atomes oscillent sont un signe que la nouvelle phase est métallique. Si le matériau conducteur d'électricité, qui est un autre don mort. Un signe révélateur final: L'hydrogène doit normalement translucide obtenir une surface brillante et réfléchissante.
des obstacles importants existent pour des expériences de cellules d'enclume de diamant. Les diamants, qui coûtent plus de 600 $ pour le gêner, peuvent se fissurer sous de telles pressions intenses. L'hydrogène peut échapper à la capsule, ou diffuser dans les diamants, les affaiblir. Ainsi, les scientifiques manteau leurs diamants avec des couches minces de matériau de protection. Les équipes ont chacune leur propre recette unique, dit Goncharov. « Bien sûr, tout le monde croit que leur recette est le meilleur. »
Le progrès ne vient pas facile. Avec chaque nouveau document, les scientifiques sont en désaccord sur la signification des résultats. Lorsque Eremets et ses collègues ont découvert la quatrième phase, ils pensaient qu'ils avaient également trouvé l'hydrogène métallique (SN:. 12/17/11, p 9). Mais cette affirmation a été rapidement critiqué. et il ne résiste pas à un examen minutieux.
Le champ a été en proie à des réclamations hâtives. « Si vous regardez la littérature pour les 30 dernières années », dit-Gregoryanz, « Je pense que tous les cinq ans, il y a une demande que nous hydrogène métallisées enfin. » Mais les revendications ont pas été confirmée, laissant les scientifiques sceptiques perpétuellement de nouveaux résultats.
Dans une récente vague de papiers, les scientifiques ont proposé de nouvelles phases - certains qui pourraient être des précurseurs métalliques ou comme le métal à un vrai métal - et ils attendent de voir ce qui prétend bâton. factions rivales ont des papiers reprise de volée avant et en arrière, alternativement en désaccord et d'accord.
Quelques mois plus tard, le groupe de Silvera pressé l'hydrogène assez dur pour le rendre presque opaque, mais ne reflètent pas - pas tout à fait métal. « Nous pensons que nous sommes juste en dessous de la pression que vous devez faire de l'hydrogène métallique », dit Silvera. Ses résultats sont compatibles avec Eremets de nouvelle phase, mais conteste Silvera Eremets de spéculations de métallicité. « Chaque fois qu'ils voient le changement de quelque chose qu'ils appellent métallique », dit Silvera. « Mais ils ne sont pas vraiment preuve d'hydrogène métallique. »
Les résultats actuels sont « pas très bien cohérente, donc tout le monde peut critiquer les uns les autres », dit-Eremets. « Pour moi, il est très clair. Nous devrions faire plus d'expériences. C'est tout."
L'ajout de soufre au mélange se stabilise et renforce la structure de l'hydrogène, mais ne contribue pas beaucoup à ses propriétés supraconductrices. Le sulfure d'hydrogène est si semblable à l'hydrogène pur, dit Eremets, que, « à certains égards, nous avons déjà trouvé supraconductivité dans l'hydrogène métallique. »
luit brèves
L'utilisation d'un ensemble radicalement différent des technologies, une deuxième bande de scientifiques est à la recherche de tels hydrogène métallique liquide. Ces chercheurs ont fait grand, tirant parti des capacités de nouvelles machines puissantes conçues pour des expériences de fusion nucléaire dans les laboratoires nationaux financés par le gouvernement. Ces expériences montrent les preuves les plus convaincantes du comportement métallique jusqu'à présent - mais dans le liquide de l'hydrogène, et non sous forme solide,. Ces énormes machines blast hydrogène pour de brefs instants, l'envoi temporaire des pressions et des températures qui montent en flèche. De telles expériences atteignent des températures torrides, des milliers de kelvins. Avec ce genre de chaleur, l'hydrogène métallique apparaît au bas, des pressions plus accessibles.
La création de ces conditions nécessite un équipement sophistiqué. La machine à Z, situé au Sandia National Laboratories à Albuquerque, génère des rafales extrêmement intenses de l'énergie électrique et des champs magnétiques puissants; pour un petit instant, la machine peut fournir environ 80 térawatts (un térawatt est sur la capacité puissance totale de production électrique dans l'ensemble des États-Unis).
Un autre groupe poursuit une tactique différente, en utilisant certains des lasers les plus avancés dans le monde, à la National Ignition Facility à Lawrence Livermore. Les scientifiques zap il hydrogène pour produire de hautes pressions et températures. Bien que les conclusions de cette expérience ne sont pas encore publiés, dit le physicien Gilbert Collins de Lawrence Livermore, un des leaders de l'expérience, « nous avons des résultats vraiment beau. »
Ces expériences font face à des obstacles de leur propre - c'est une lutte pour mesurer la température dans ces systèmes, les scientifiques calculent plutôt que de mesurer directement. Mais de nombreux chercheurs sont encore convaincus par ces résultats. hydrogène métallique « a certainement été produit par des techniques de choc, » Ashcroft Cornell dit.
Certains scientifiques ont encore des questions. « Il est certainement difficile de dire si quelque chose est un métal ou non à cette température élevée, » dit Collins. Bien qu'ils nécessitent des températures élevées pour atteindre la phase de métal liquide, certains physiciens définissent un métal sur la base de son comportement à la température de zéro absolu. Les expériences actuelles ont atteint de hautes pressions à des températures aussi proche de zéro que possible pour produire de l'hydrogène métallique liquide relativement froid.
« Il y a une sorte de crise maintenant avec ces différentes expériences », dit l'Illinois théoricienne Ceperley. « Et il y a beaucoup d'activités pour essayer de voir qui a raison. » Pour l'instant, les scientifiques continuera de perfectionner leurs techniques jusqu'à ce qu'ils puissent parvenir à un accord.
Les principaux acteurs ont réussi à parvenir à un consensus avant. Quatre phases d'hydrogène solide sont maintenant bien établis, et les chercheurs sont d'accord sur certaines conditions dans lesquelles fait fondre l'hydrogène solide.
La quête continue, propulsé par une poignée de scientifiques obsédés par l'hydrogène.
« Nous aimons tous l'hydrogène », dit Collins. « Il a l'essence d'être simple, de sorte que nous pensons que nous pouvons calculer quelque chose et de le comprendre, tout en même temps, il a une nature sournoise qu'il est peut-être le matériau le moins compréhensible qu'il y a. »