Francisco Doménech: zamiana wodoru w metal

Metaliczny wodór, wyścig, by zdobyć „jednorożca” fizyki

Ventana al Conocimiento 

Dziennikarstwo naukowe

 2020 r. Rozpoczęły wiadomości naukowe, które, jeśli zostaną potwierdzone, mogą pozwolić technologiom zrobić duży skok w przyszłość. Grupa francuskich naukowców twierdzi, że zamieniali najprostszy gaz (wodór) w metal, osiągnięcie, na które z niecierpliwością czekają projektanci rakiet NASA, którzy planują podróże do innych światów, teoretyczni astronomowie badający wielkie planety i inżynierowie czekający nadprzewodnik, który przyniesie nam ogromne globalne oszczędności energii . Zainteresowania są tak liczne, a presja na sukces jest tak wielka, że ​​w ostatnich dziesięcioleciach różne zespoły ogłosiły się zwycięzcami tego wyścigu naukowego - choć w końcu nikt nie został uznany za twórcę tego jednorożca fizyki: metalicznego wodoru.

W świetle tego, tym razem Natura ogłosiła osiągnięcie bardziej ostrożnie niż kiedykolwiek wcześniej. Tytuł artykułu naukowego mówi o „ dowodach prawdopodobnego przejścia wodoru w metal”, natomiast magazyn ogłasza, że „kamień milowy w polowaniu na wodór metaliczny”został osiągnięty, a następnie wyszczególnia, że: „Badanie optyczne zimnego stałego wodoru pod ekstremalnymi ciśnieniami wskazuje, że elektrony w materiale mogą się swobodnie poruszać jak te w metalu. To sugeruje, że długo poszukiwana metaliczna faza wodoru mogła zostać zrealizowana. ” Każde słowo jest mierzone z taką samą precyzją jak zapowiadany eksperyment, a wyniki te mogą doprowadzić do nagrody Nobla dla jednego z dwóch zespołów prowadzących ten wyścig, który rozpoczął się w 1935 roku.

Właśnie wtedy, ponad osiem dekad temu, Eugene Wigner i Hillard Bell Huntington jako pierwsi zdali sobie sprawę, że teoretycznie możliwe jest, że wodór stanie się metalem, więc będzie zachowywał się jak reszta pierwiastków w swojej grupie. Po przeprowadzeniu obliczeń doszli do wniosku, że jedyną rzeczą, która byłaby konieczna, aby stały wodór wykazywał właściwości metaliczne, takie jak lit, sód lub potas, było zastosowanie wystarczającego ciśnienia. Tego nie przewidział nikt - Wigner wygrałby Nagrodę Nobla w 1963 r. (...)

Wyższe ciśnienie niż w wewnętrznym jądrze Ziemi

Po pierwsze, Wigner i Huntington nie byli w stanie obliczyć wymaganego bardzo wysokiego ciśnienia. W 1935 r. Oszacowali, że wyniesie 25 gigapaskali - równowartość 250 000 razy więcej niż ciśnienie atmosferyczne na powierzchni Ziemi - kiedy cząsteczki wodoru będą tak skompresowane, że ich atomy zostaną zwarte w jednolitą sieć, a elektrony będą się swobodnie poruszać ( zamiast przyłączać każdy elektron do własnego atomu). Jest to typowa struktura metalu, co czyni je tak dobrymi przewodnikami elektryczności. Dziś panuje zgoda co do tego, że granica ta znajduje się w pobliżu 400 gigapaskali - to jest cztery miliony razy większy nacisk na powierzchnię Ziemi, a nawet wyższy niż w wewnętrznym jądrze naszej planety, gdzie ciśnienie może osiągnąć 360 gigapaskali.

Dlatego znalezienie metalicznego wodoru na Ziemi byłoby niemożliwe. Oczy naukowców skierowane są na inne światy, takie jak Jowisz, Saturn i niektóre egzoplanety, które w większości składają się z wodoru. Różne badania wykazały, że w jądrze gazowych gigantów wodór może istnieć w postaci metalicznej. Tak więc wytwarzanie wodoru metalicznego w laboratorium dałoby astrofizykom fundamentalną wskazówkę do zrozumienia, jak formują się te ogromne planety

Byłaby to jednak najbardziej podstawowa użyteczność metalicznego wodoru. Przez ponad 80 lat, od których przewidywano jego istnienie, jego hipotetyczne właściwości były nadal badane. Najbardziej obiecującym obecnie naukowym przekonaniem jest to, że byłby to nadprzewodnik w temperaturze pokojowej , zmieniający jedną z wielkich ambicji nauki o materiałach w rzeczywistość. (...)

Przełomowy nadprzewodnik i paliwo

Jakby tego było mało, możliwość magazynowania wodoru w stałej postaci (w znacznie mniejszej przestrzeni) uczyniłaby go jeszcze bardziej użytecznym paliwem alternatywnym i, według NASA, „zmieniającym grę propelentem rakietowym” niezbędnym do eksploracji układu słonecznego.. Niezwykle lekki i zdolny do magazynowania ogromnej ilości energii metaliczny wodór byłby paliwem nowej ery kosmicznej… oprócz tego, że jest nadprzewodnikiem marzeń i kluczem do wielkich postępów w astrofizyce.

Wszystkie te fantastyczne właściwości, które mogą zrewolucjonizować naukę i technologię, sprawiają, że jest to tylko jednorożec . I jak dotąd wymyka się naukowcom, którzy polują na niego, jak na zwierzę mitologiczne. Wielkim wyzwaniem było osiągnięcie wymaganego super wysokiego ciśnienia: po raz pierwszy technologia ludzka zbliżyła się do 400 gigapaskali w 1998 r., Kiedy atomy wodoru zostały ściśnięte między końcami dwóch ekstremalnie zaostrzonych diamentów. Od tego czasu była to główna metoda stosowana przez dwóch wielkich rywali w tym wyścigu naukowym: zespół kierowany przez Paula Loubeyre'a w laboratoriach francuskiej Komisji Energii Atomowej (CEA) oraz ten rozpoczęty przez Ranga Diasa i Izaaka Silvera na Uniwersytecie Harvarda w Massachusetts.

Do trudności w przyłożeniu tych nieziemskich nacisków do niewielkiej próbki wodoru dodaje się techniczne wyzwanie polegające na wykazaniu, że po osiągnięciu wysokiego ciśnienia wodór faktycznie przekształcił się w metal. Ogromnym postępem w ostatnich badaniach opublikowanych przez Loubeyre w „ Nature” jest to, że po raz pierwszy grupa badawcza dostarczyła dowodów na to, że jej eksperymentalny wodór jest metaliczny (po zastosowaniu 425 gigapaskali ciśnienia). Będziemy jednak musieli poczekać, aż inni badacze będą w stanie powtórzyć swoje wyniki, aby zaakceptować, że wodór metaliczny jest realny, a nie mitologiczny. Wydawało się, że wyścig został wygrany w 2017 r., Kiedy Dias i Silvera wydali podobną informację w czasopiśmie Science, ale tygodnie później stracili mikroskopijną próbkę metalicznego wodoru (utworzonego przy 495 gigapaskalach) podczas próby przeprowadzenia dalszej analizy. (...)

Francisco Doménech