Wissenschaftler sind seit einiger Zeit vom Konzept des metallischen Wasserstoffs fasziniert. Es wird angenommen, dass ein solches Element natürlich existiert, wenn Wasserstoff extremen Drücken ausgesetzt wird (wie im Inneren von Gasriesen wie Jupiter). Als synthetisches Material hätte es jedoch endlose Anwendungsmöglichkeiten, da angenommen wird, dass es bei Raumtemperatur supraleitende Eigenschaften besitzt und seine Festigkeit behält, wenn es wieder auf Normaldruck gebracht wurde.
Aus diesem Grund versuchen Physiker der kondensierten Materie seit Jahrzehnten, metallischen Wasserstoff zu erzeugen. Und laut einer kürzlich veröffentlichten Studie in Wissenschaftsmagazin ,ein Paar Physiker vom Lyman Laboratory of Physics der Harvard University behaupten, genau dies getan zu haben. Wenn das stimmt, könnte diese Errungenschaft ein neues Zeitalter der Supermaterialien und der Hochdruckphysik einläuten.
Die Existenz von metallischem Wasserstoff war erstmals 1935 vorhergesagt Die Princeton-Physiker Eugene Wigner und Hillard Bell Huntington. Isaac Silvera (der Thomas D. Cabot Professor an der Harvard University) und Ranga Dias, ein Postdoktorand, haben jahrelang versucht, es zu schaffen. Sie behaupten, mit einem Verfahren, das sie in ihrer kürzlich veröffentlichten Studie beschrieben haben, erfolgreich gewesen zu sein. Beobachtung des Wigner-Huntington-Übergangs zu metallischem Wasserstoff '.
Dieser Ausschnitt zeigt ein Modell des Inneren des Jupiter mit einem felsigen Kern, der von einer tiefen Schicht flüssigen metallischen Wasserstoffs überlagert wird. Bildnachweis: Kelvinsong/Wikimedia Commons
Eine solche Leistung, die der Erschaffung des Herzens des Jupiter zwischen zwei Diamanten gleichkommt, ist in der Geschichte der Wissenschaft beispiellos. Wie Silvera die Errungenschaft in einem kürzlich erschienenen Harvard Pressemitteilung :
„Das ist der Heilige Gral der Hochdruckphysik. Es ist die allererste Probe von metallischem Wasserstoff auf der Erde. Wenn Sie sie also betrachten, sehen Sie etwas, das noch nie zuvor existiert hat.“
In der Vergangenheit ist es Wissenschaftlern gelungen, flüssigen Wasserstoff unter Hochtemperaturbedingungen zu erzeugen, indem sie den Druck erhöht haben, dem er ausgesetzt war (im Gegensatz zu einer kryogenen Kühlung). Aber metallischer Wasserstoff hat sich experimentellen Wissenschaftlern weiterhin entzogen, trotz wiederholter (und unbewiesener) Behauptungen in der Vergangenheit, eine Synthese erreicht zu haben. Der Grund dafür ist, dass solche Experimente extrem temperamentvoll sind.
Zum Beispiel besteht die Diamantambossmethode (von der Silvera und Dias eine Variante verwendeten) darin, eine Wasserstoffprobe mit einer dünnen Metalldichtung an Ort und Stelle zu halten und sie dann zwischen zwei diamantbestückten Schraubstöcken zusammenzupressen. Dadurch wird die Probe unter extremen Druck gesetzt, und ein Lasersensor wird verwendet, um auf Veränderungen zu überwachen. Dies hat sich in der Vergangenheit als problematisch erwiesen, da der Wasserstoff durch den Druck Unvollkommenheiten in den Diamanten auffüllen und diese knacken kann.
Während Schutzbeschichtungen sicherstellen können, dass die Diamanten nicht brechen, erschweren die zusätzlichen Materialien genaue Messwerte aus Lasermessungen. Darüber hinaus haben Wissenschaftler, die mit Wasserstoff experimentieren, herausgefunden, dass Drücke von ~400 Gigapascal (GPa) oder mehr beteiligt sein müssen – was die Wasserstoffproben schwarz färbt und so verhindert, dass das Laserlicht sie durchdringen kann.
Mikroskopische Aufnahmen der Stadien der Entstehung von metallischem Wasserstoff: Transparenter molekularer Wasserstoff (links) bei etwa 200 GPa, der in schwarzen molekularen Wasserstoff umgewandelt wird, und schließlich reflektiver atomarer metallischer Wasserstoff bei 495 GPa. Bildnachweis: Isaac Silvera
Für ihr Experiment gingen die Professoren Ranga Dias und Isaac Silvera einen anderen Weg. Für den Anfang verwendeten sie zwei kleine Stücke polierten synthetischen Diamanten anstelle von natürlichen. Anschließend rasierten sie ihre Oberflächen mit einem reaktiven Ionenätzverfahren und beschichteten sie dann mit einer dünnen Schicht Aluminiumoxid, um zu verhindern, dass Wasserstoff in die Kristallstruktur diffundiert.
Sie vereinfachten auch das Experiment, indem sie die Notwendigkeit einer hochintensiven Laserüberwachung beseitigten und sich stattdessen auf die Raman-Spektroskopie verließen. Als sie einen Druck von 495 GPa (größer als der im Erdmittelpunkt) erreichten, wurde ihre Probe Berichten zufolge metallisch und wechselte von Schwarz zu glänzendem Rot. Dies wurde durch die Messung des Spektrums der Probe aufgedeckt, die zeigte, dass sie stark reflektierend geworden war (was für eine Metallprobe zu erwarten ist).
Wie Silvera erklärte, könnten diese experimentellen Ergebnisse (sofern verifiziert) zu allen möglichen Möglichkeiten führen:
„Eine sehr wichtige Vorhersage ist, dass metallischer Wasserstoff als metastabil vorhergesagt wird. Das heißt, wenn Sie den Druck wegnehmen, bleibt es metallisch, ähnlich wie sich Diamanten aus Graphit unter intensiver Hitze und Druck bilden, bleiben aber Diamanten, wenn dieser Druck und diese Hitze entfernt werden. Bis zu 15 Prozent der Energie gehen bei der Übertragung durch Dissipation verloren. Wenn Sie also Drähte aus diesem Material herstellen und im Stromnetz verwenden könnten, könnte dies diese Geschichte ändern.“
Am CERN werden supraleitende Verbindungen getestet, die für Ströme von bis zu 20.000 Ampere entwickelt wurden. Bildnachweis: CERN
Kurz gesagt, metallischer Wasserstoff könnte dank der Entdeckung von Materialien wie Graphen die bereits begonnene Revolution in der Elektronik beschleunigen. Da metallischer Wasserstoff auch bei Raumtemperatur als Supraleiter gilt, hätte seine synthetische Herstellung immense Auswirkungen auf die Hochenergieforschung und -physik – wie sie beispielsweise am CERN betrieben wird.
Darüber hinaus würde es auch die Erforschung des Inneren von Gasriesen ermöglichen. Wissenschaftler vermuten seit einiger Zeit, dass eine Schicht aus metallischem Wasserstoff die Kerne von Gasriesen wie Jupiter und Saturn umgeben könnte. Natürlich machen die Temperatur- und Druckverhältnisse im Inneren dieser Planeten eine direkte Untersuchung unmöglich. Aber durch die Möglichkeit, metallischen Wasserstoff synthetisch herzustellen, könnten Wissenschaftler Experimente durchführen, um zu sehen, wie er sich verhält.
Natürlich wird die Nachricht von diesem Experiment und seinen Ergebnissen mit Skepsis aufgenommen. Kritiker fragen sich beispielsweise, ob die Druckanzeige von 495 GPa tatsächlich korrekt war, da Silvera und Dias diese nur als letzte Messung erhalten und sich auf Schätzungen zuvor verlassen mussten. Zweitens fragen sich einige, ob es sich bei dem rötlichen Fleck tatsächlich um Wasserstoff und um Material handelt, das während des Prozesses von der Dichtung oder der Diamantbeschichtung stammt.
Silvera und Dias sind jedoch von ihren Ergebnissen überzeugt und glauben, dass sie reproduziert werden können (was weit gehen würde, um Zweifel an ihren Ergebnissen zum Schweigen zu bringen). Zum einen betonen sie, dass eine vergleichende Messung der Reflexionseigenschaften des Wasserstoffpunkts und der umgebenden Dichtung darauf hindeutet, dass der Wasserstoff rein ist. Sie behaupten auch, dass ihre Druckmessungen ordnungsgemäß kalibriert und verifiziert wurden.
In Zukunft wollen sie zusätzliche spektrographische Messungen von der Probe erhalten, um zu bestätigen, dass es tatsächlich metallisch ist. Sobald dies erledigt ist, planen sie, die Probe zu testen, um zu sehen, ob sie wirklich metastabil ist. Dazu öffnen sie den Schraubstock und sehen, ob sie in einem festen Zustand bleiben. Angesichts der Implikationen des Erfolgs möchten viele, dass ihr Experiment bestätigt wird!
Sehen Sie sich dieses von der Harvard University produzierte Video an, das über das Experiment spricht:
Weiterlesen: Wissenschaftsmagazin , Harvard Gazette