การแข่งขันเพื่อเปลี่ยนก๊าซไฮโดรเจนให้เป็นของแข็ง


การแสดงออกทางศิลปะของโมเลกุลไฮโดรเจนภายใต้การบีบอัดโดยใช้อุปกรณ์ต่อต้านทั่งเพชร งานทดลองสำรวจวิวัฒนาการของไฮโดรเจนจากสถานะโมเลกุลอิเล็กทริกล้อมรอบ (โมเลกุลโปร่งใส) จนถึงการโจมตีของ metallisation เหนี่ยวนำให้เกิดแรงดัน (อะตอมโลหะ) นักวิทยาศาสตร์กำลังเดินทางเพื่อค้นหาเบาะแสเกี่ยวกับขั้นตอนที่เข้าใจยากที่สุดของไฮโดรเจนนั่นคือไฮโดรเจนโลหะที่เป็นของแข็ง รางวัลสำหรับการค้นพบว่ามันอาจเป็นตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิห้อง - โลกแรก แต่กลุ่มวิจัยกำลังพาเส้นทางที่แตกต่างไปสู่เป้าหมายเดียวกันโดยบางคนตอนนี้ถามว่าพวกเขาจะพบอะไรถ้าพวกเขาไปถึงที่นั่น แนวคิดของโลหะไฮโดรเจนได้รับการเสนอครั้งแรกในปี 1935 โดย Eugene Wigner

การแสดงออกทางศิลปะของโมเลกุลไฮโดรเจนภายใต้การบีบอัดโดยใช้อุปกรณ์ต่อต้านทั่งเพชร งานทดลองสำรวจวิวัฒนาการของไฮโดรเจนจากสถานะโมเลกุลอิเล็กทริกล้อมรอบ (โมเลกุลโปร่งใส) จนถึงการโจมตีของ metallisation เหนี่ยวนำให้เกิดแรงดัน (อะตอมโลหะ)

นักวิทยาศาสตร์กำลังเดินทางเพื่อค้นหาเบาะแสเกี่ยวกับขั้นตอนที่เข้าใจยากที่สุดของไฮโดรเจนนั่นคือไฮโดรเจนโลหะที่เป็นของแข็ง รางวัลสำหรับการค้นพบว่ามันอาจเป็นตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิห้อง - โลกแรก แต่กลุ่มวิจัยกำลังพาเส้นทางที่แตกต่างไปสู่เป้าหมายเดียวกันโดยบางคนตอนนี้ถามว่าพวกเขาจะพบอะไรถ้าพวกเขาไปถึงที่นั่น

แนวคิดของโลหะไฮโดรเจนได้รับการเสนอครั้งแรกในปี 1935 โดย Eugene Wigner และ Hillard Bell Huntingdon ผู้ตั้งทฤษฎีว่าภายใต้แรงกดดันอันยิ่งใหญ่ตาข่ายไฮโดรเจนโมเลกุลจะแตกสลายเป็นไฮโดรเจนอะตอมโดยอิเล็กตรอนไหลผ่านวัสดุอย่างอิสระ ทั้งสองตกลงกันว่ารัฐนี้จะเปิดเผยตัวเองหากไฮโดรเจนถูกวางไว้ภายใต้แรงกดดันอย่างน้อย 25GPa

มันเป็นการประเมินที่ค่อนข้างปานกลางตามมาตรฐานในปัจจุบันอ้างอิงจาก Eugene Gregoryanz จาก University of Edinburgh ประเทศอังกฤษกลุ่มที่ค้นพบสารตั้งต้นโลหะไฮโดรเจนในเดือนมกราคม 2559 'พวกเขาไม่มีความคิดใด ๆ ว่าไฮโดรเจนที่ถูกบีบอัดนั้นเป็นอย่างไร' Gregoryanz กล่าว ตั้งข้อสังเกตว่านักวิจัยได้รับแรงกดดันมากกว่า 25GPa ถึง 10 เท่าและยังไม่มีสัญญาณบ่งบอกสถานะโลหะของไฮโดรเจน

Raman spectroscopy ของ Micro-focus ของไฮโดรเจนโดยใช้เซลล์เพชร anvil เพื่อออกแรงกดดันเกินกว่า 3.5 ล้านบรรยากาศและทนความร้อนที่อุณหภูมิ 475 เค

สภาวะการเล่น

กลุ่มของ Gregoryanz กำลังสำรวจสถานะของไฮโดรเจนที่อุณหภูมิห้องโดยวางแก๊สไว้ระหว่างปลายเพชรแบนสองอัน เคล็ดลับถูกนำมารวมกันอย่างช้าๆในเซลล์เพชรทั่ง (DAC) โดยมีอุณหภูมิของเซลล์ที่เก็บไว้ที่ 300K โดยใช้วิธีนี้ทีมได้รับรายงานแรงกดดันสูงถึง 388GPa ซึ่งโดยทั่วไปจะสงวนไว้สำหรับศูนย์กลางของดาวเคราะห์ แต่พวกเขายังหาไฮโดรเจนโลหะ

โดยการตรวจสอบไฮโดรเจนที่มีแรงดันโดยใช้ Raman spectroscopy, Gregoryanz และเพื่อนร่วมงานของเขาสามารถเปิดเผยการเปลี่ยนแปลงขององค์ประกอบได้ เริ่มแรกแก๊สจะเปลี่ยนเป็นไฮโดรเจนโมเลกุลเหลวก่อนที่จะนำรูปทรงของแข็งมาใช้อย่างรวดเร็ว ในขณะที่ความดันสร้างโมเลกุลไฮโดรเจนจะจัดเรียงใหม่จากการเรียงผลึกหนึ่งไปยังอีกอันหนึ่ง แต่เฟสโลหะยังคงเข้าใจยาก

นักวิจัยได้ค้นพบไฮโดรเจนของแข็งหลายขั้นตอน ส่วนใหญ่โครงสร้างเหล่านี้มีลักษณะเหมือนการจัดเรียงผลึกทั่วไปของสารประกอบที่หนักกว่า ขึ้นอยู่กับแรงกดดันประมาณ 180GPa ที่อุณหภูมิห้องโมเลกุลของไฮโดรเจนที่หมุนไปจะตกอยู่ในตาข่ายหกเหลี่ยมหลวม ๆ ที่เรียกว่าไฮโดรเจนเฟส 1 ขั้นตอนที่สามเกิดขึ้นหลังจากการบีบอัดเล็กน้อยเกินกว่า 180GPa และพันธะโควาเลนต์ทำให้โมเลกุลกลายเป็นตัวตัดเล็มหกเหลี่ยม หากคุณสามารถทนต่อไปได้อีกขั้นตอนที่สี่จะเกิดขึ้นที่ 230GPa และโมเลกุลไฮโดรเจนที่หมุนได้อย่างอิสระจะเลื่อนเข้ามาระหว่างเลเยอร์ตัวเล็ม แต่ทุกขั้นตอนเหล่านี้เป็นการจัดเรียงโมเลกุลที่ไม่มีความสัมพันธ์กับวัสดุโลหะ

เมื่อต้นปีนี้ทีมงานของ Gregoryanz ได้ระบุระยะที่ห้าที่สูงกว่า 325GPa นักวิจัยแนะนำว่าขั้นตอนนี้จะแยกส่วนโมเลกุลไฮโดรเจนซึ่งอาจมีลักษณะคล้ายกับบางส่วนในโครงสร้างของเฟส IV นี่เป็นการยั่วเย้าสำหรับนักวิจัย: การบีบเพิ่มเติมอาจทำให้ของแข็ง V เฟสนี้กลายเป็นไฮโดรเจนโลหะอะตอมมิก

อัตรากำไรขั้นต้นที่ดี

การแสดงออกทางศิลปะของโมเลกุลไฮโดรเจนภายใต้การบีบอัดโดยใช้อุปกรณ์ต่อต้านทั่งเพชร งานทดลองสำรวจวิวัฒนาการของไฮโดรเจนจากสถานะโมเลกุลอิเล็กทริกล้อมรอบไปจนถึงการโจมตีของ metallisation ที่เกิดจากแรงดันที่เสนอ

แต่กลุ่มหนึ่งอ้างว่าพวกเขาได้เห็นระยะที่ไกลเกินกว่าเฟส V แล้วและมันอาจเป็นโลหะในธรรมชาติ ในการตั้งค่าที่คล้ายกัน แต่การวางไฮโดรเจนซัลไฟด์ไว้ใต้ทั่งตรงข้ามกับก๊าซไฮโดรเจนบริสุทธิ์ Mikhail Eremets และเพื่อนร่วมงานของเขาที่ Max Planck Institute for Chemistry ประเทศเยอรมนีประกาศในเดือนมกราคม 2559 หนึ่งสัปดาห์หลังจากการประกาศของกลุ่มเอดินเบอระช่วงนั้น V ปรากฏที่ความดันต่ำกว่า 270GPa พวกเขายังประกาศว่ารูปแบบไฮโดรเจนระยะที่ 6 อยู่เหนือ 360GPa แม้ว่าจะต่ำกว่า 200K

'เราอ้างว่าเราพบว่าไม่เพียง แต่มีสองขั้นตอนเท่านั้น แต่หนึ่งในนั้นคือไฮโดรเจนที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า "Eremets กล่าวซึ่งเชื่อว่าระยะที่ VI น่าจะเป็นโลหะ

มันคงเป็นที่จะเห็นว่าชุมชนสามารถยืนยันขั้นตอนใหม่นี้ แต่การจัดการกับความไม่แน่นอนดังกล่าวเป็นงานที่ยากและเนื่องจากเงื่อนไขที่รุนแรงในทั่งเพชรทำให้ยากในการตรวจสอบผลลัพธ์ตามที่ Gregoryanz กล่าว 'มันยากมากที่จะทำซ้ำ - มีหลายกลุ่มที่สามารถโหลดไฮโดรเจนลงใน DAC ได้ "เขากล่าว 'จากนั้นคุณต้องตั้งค่าออพติคอลคุณภาพดีมาก'

ถ้าไม่นักวิจัยมีความเสี่ยงต่อการทดสอบ 'เมื่อคุณไปถึง 400GPa คุณกำลังพูดถึงตัวอย่างขนาด 2 ไมครอน' Gregoryanz อธิบาย ด้วยขนาดตัวอย่างเล็ก ๆ คงหนีไม่พ้นแสงเลเซอร์ที่เข้ามาสำหรับการวิเคราะห์รามานจะถูกดูดซับโดยเพชรบางส่วน ถ้าเลเซอร์ไม่ได้ถูกใช้อย่าง จำกัด มันจะร้อนขึ้นอย่างรวดเร็วทั่งอันมีค่าและเพชรอาจแตกตัวในเซลล์ตามที่ Gregoryanz กล่าว

เพชรอยู่ตลอดไป

แต่บางกลุ่มอาจมีความเสี่ยงจากการใช้เลเซอร์ในการให้ความร้อนแก่ไฮโดรเจนเช่น Isaac Silvera และเพื่อนร่วมงานของเขาที่ Harvard University ในสหรัฐอเมริกา สิ่งนี้ทำให้พวกเขาอยู่ในเส้นทางที่แตกต่างไปสู่ไฮโดรเจนโลหะมากกว่ากลุ่มของ Gregoryanz และ Eremets

'คุณสามารถ [นำไฮโดรเจน] ไปบอก [100 - 200MPa] ... แล้วให้ความร้อนจนถึงสถานะของเหลว "Silvera ให้ความเห็น ด้วยการวางก๊าซไฮโดรเจนไว้ภายใต้ความกดดัน 'เจียมเนื้อเจียมตัว' ที่อุณหภูมิห้องมันจะนำรูปแบบที่เป็นของแข็งมาใช้ซึ่ง Silvera และเพื่อนร่วมงานของเขาจะเพิ่มอุณหภูมิในการผลิตของเหลว เขาอธิบายต่อไปว่าจะมีจุดเมื่อเฟสโมเลกุลของเหลวนี้เปลี่ยนเป็นสถานะอะตอมของเหลวซึ่งควรทำตัวเหมือนโลหะ

เพื่อให้บรรลุผลนี้ไฮโดรเจนจะถูกดันอีกครั้งในทั่งเพชร แต่มีความแตกต่างที่สำคัญในการติดตั้ง - ฟิล์มทังสเตนกึ่งโปร่งใสจะถูกเคลือบบนปลายเพชร ด้วยการทำให้ฟิล์มร้อนขึ้นด้วยเลเซอร์โดยใช้เลเซอร์ทำให้ทีมสามารถให้ความร้อนแก่ไฮโดรเจนได้อย่างรวดเร็วขณะเดียวกันก็ใช้แสงในการตรวจสอบการสะท้อนและการส่งผ่านของไฮโดรเจน พวกเขาประมาณว่าไฮโดรเจนสามารถให้ความร้อนสูงถึง 2200K

Silvera อ้างว่าพัลส์เลเซอร์สั้น ๆ จะไม่ทำลายเพชรและโดยเฉลี่ยแล้วพวกเขาจะยังคงอยู่ที่อุณหภูมิห้อง 'ถ้าคุณให้ความร้อนสักสองสามร้อยนาโนวินาทีมันมีเวลาเหลือเฟือสำหรับดุลยภาพทางความร้อน "เขากล่าว 'เราโชคดีมาก - เราแทบจะสูญเสียเพชรไปแล้ว'

สิ่งนี้ทำให้พวกเขามีโอกาสได้ทำงานในโดเมนและยังได้รับการตรวจสอบโดยเครื่อง Z ของ Sandia National Lab ซึ่งเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพัลส์ที่สามารถผลิต 27 ล้านแอมป์ที่ดิวทีเรียมถูกคลื่นช็อกและสนามแม่เหล็กมาก

อย่างไรก็ตามการใช้ทั่งเพชรที่ถ่อมตนกลุ่มของ Silvera ได้สังเกตเห็นการเพิ่มขึ้นของปริมาณแสงสะท้อนจากไฮโดรเจนที่อุณหภูมิสูงเหล่านี้ซึ่งเป็นสัญญาณบ่งชี้การเปลี่ยนผ่านของฉนวนเป็นโลหะ แต่ทีมยังไม่สามารถระบุได้อย่างชัดเจนว่าพวกเขาได้ค้นพบไฮโดรเจนอะตอมโลหะโลหะบริสุทธิ์เพียงใด

ชายแดนสุดท้าย

สำหรับ Gregoryanz ขั้นตอนเบื้องต้นที่ไม่รู้จักเหล่านี้เป็นสิ่งที่น่าตื่นเต้น แต่เขาไม่แน่ใจว่าภารกิจนี้จะเปิดเผยในท้ายที่สุด เขาอธิบายว่าที่ความกดดันสูงไฮโดรเจนโลหะอาจดำรงอยู่ในฐานะ superfluid เท่านั้นซึ่งเป็นสถานะที่แปลกใหม่และไร้แรงเสียดทาน เมื่อความดันเพิ่มสูงขึ้นอะตอมไฮโดรเจนมีพลังงานมากขึ้นเรื่อย ๆ ซึ่งอาจทำให้สถานะของแข็งคงที่ตลอดไป

หากโลหะไฮโดรเจนเป็นซุปเปอร์ฟลูอิดนักวิจัยอาจมีวัสดุในมือของพวกเขาที่ท้าทายความเข้าใจ 'ตัวนำยิ่งยวดทั้งหมดที่เรารู้ว่า [ของ] นั้นแข็งแกร่ง…และ superfluids ทั้งหมดเป็นฉนวน "Gregoryanz แสดงความคิดเห็น 'ไฮโดรเจนเหลวนี้จะเป็นตัวนำยิ่งยวดและซุปเปอร์ฟลูอิดในเวลาเดียวกัน - ไม่มีสิ่งใดที่เคยถูกสังเกตเช่นนี้มาก่อน'

เนื่องจากพวกเขากำลังสำรวจขอบเขตของวิทยาศาสตร์แรงดันสูงชุมชนจึงไม่เต็มใจที่จะแยกไฮโดรเจนโลหะที่เป็นของแข็ง แต่สิ่งหนึ่งที่แน่นอนก็คือตาม Gregoryanz 'คุณจะต้องระมัดระวังเป็นอย่างมากกับสิ่งที่คุณพูดและวิธีที่คุณพูด' เขากล่าว 'คนจำนวนมากหลอกตัวเอง - มันไม่น่าเชื่อเลย'

บทความนี้ทำซ้ำโดยได้รับอนุญาตจาก Chemistry World บทความนี้เผยแพร่ครั้งแรกเมื่อวันที่ 30 มีนาคม 2016