Metallisk brint, engang teori, bliver til virkelighed

Næsten et århundrede efter at det blev teoretiseret, Harvard -forskere er lykkedes med at skabe det mest sjældne - og potentielt et af de mest værdifulde - materialer på planeten.

Materialet - atomisk metallisk brint - blev skabt af Thomas D. Cabot, professor i naturvidenskab Isaac Silvera og postdoktor Ranga Dias. Ud over at hjælpe forskere med at besvare grundlæggende spørgsmål om sagens natur, materialet er teoretiseret til at have en bred vifte af applikationer, herunder som stuetemperatur-superleder. Oprettelsen af ​​det sjældne materiale er beskrevet i et papir fra 26. januar, der blev offentliggjort i Videnskab .

"Dette er højtryksfysikkens hellige gral, "Silvera sagde." Det er den første nogensinde prøve af metallisk brint på jorden, så når du ser på det, du ser på noget, der aldrig har eksisteret før. "

For at oprette det, Silvera og Dias pressede en lille brintprøve på 495 gigapascal, eller mere end 71,7 millioner pounds-per-square inch-større end trykket i midten af ​​jorden. Ved det ekstreme pres, Silvera forklarede, fast molekylært brint - som består af molekyler på faststofets gittersteder - nedbrydes, og de tæt bundne molekyler dissocierer til transformationer til atomært brint, som er et metal.

Mens arbejdet giver et vigtigt nyt vindue til at forstå brintens generelle egenskaber, det giver også spændende hints om potentielt revolutionerende nye materialer.

"En forudsigelse, der er meget vigtig, er, at metallisk brint forudsiges at være metastabilt, "Silvera sagde." Det betyder, at hvis du tager trykket af, det vil forblive metallisk, ligner den måde diamanter dannes fra grafit under intens varme og tryk, men forbliver en diamant, når dette tryk og varme fjernes. "

Det er vigtigt at forstå, om materialet er stabilt, Silvera sagde, fordi forudsigelser tyder på, at metallisk brint kan fungere som en superleder ved stuetemperatur.

"Det ville være revolutionerende, "sagde han." Så meget som 15 procent af energien går tabt til spredning under transmission, så hvis du kunne lave ledninger af dette materiale og bruge dem i det elektriske net, det kan ændre den historie. "

Blandt fysikkens hellige graler, en superleder ved stuetemperatur, Dias sagde, kunne ændre vores transportsystem radikalt, muliggør magnetisk svævning af højhastighedstog, samt at gøre elbiler mere effektive og forbedre ydeevnen på mange elektroniske enheder.

Materialet kan også give store forbedringer i energiproduktion og -lagring - fordi superledere har nulmodstandsenergi, kan lagres ved at opretholde strømme i superledende spoler, og derefter bruges når det er nødvendigt.

Selvom det har potentiale til at transformere liv på Jorden, metallisk brint kan også spille en nøglerolle i at hjælpe mennesker med at udforske de fjerne grænser af rummet, som det kraftigste raketdrivmiddel, der endnu er opdaget.

"Det kræver en enorm mængde energi at lave metallisk brint, "Silvera forklarede." Og hvis du konverterer det tilbage til molekylært brint, al den energi frigives, så det ville gøre det til det mest kraftfulde raketdrivmiddel, man kender, og kunne revolutionere raketter. "

De mest kraftfulde brændstoffer, der bruges i dag, er kendetegnet ved en "specifik impuls" - et mål, på sekunder, af hvor hurtigt et drivmiddel affyres fra bagsiden af ​​en raket - på 450 sekunder. Den specifikke impuls for metallisk brint, til sammenligning, er teoretiseret til at være 1, 700 sekunder.

"Det ville let give dig mulighed for at udforske de ydre planeter, "Silvera sagde." Vi ville være i stand til at sætte raketter i kredsløb med kun et trin, mod to, og kunne sende større nyttelast op, så det kan være meget vigtigt. "

For at skabe det nye materiale, Silvera og Dias vendte sig til et af de hårdeste materialer på jorden - diamant.

Men frem for naturlig diamant, Silvera og Dias brugte to små stykker omhyggeligt poleret syntetisk diamant, som derefter blev behandlet for at gøre dem endnu hårdere og derefter monteret over for hinanden i en enhed kendt som en diamantamboltcelle.

"Diamanter er poleret med diamantpulver, og det kan trække kulstof ud af overfladen, "Silvera sagde." Da vi så på diamanten ved hjælp af atomkraftmikroskopi, vi fandt fejl, hvilket kan få det til at svække og gå i stykker. "

Løsningen, han sagde, skulle bruge en reaktiv ionetsningsproces til at barbere et lille lag - kun fem mikrometer tykt, eller omkring en tiendedel af et menneskehår - fra diamantens overflade. Diamanterne blev derefter belagt med et tyndt lag aluminiumoxid for at forhindre hydrogenet i at diffundere ind i deres krystalstruktur og sprøde dem.

Efter mere end fire årtiers arbejde med metallisk brint, og næsten et århundrede efter at det først blev teoretiseret, at se materialet for første gang, Silvera sagde, var spændende.

”Det var virkelig spændende, "sagde han." Ranga kørte eksperimentet, og vi troede, vi kunne komme dertil, men da han ringede til mig og sagde:'Prøven skinner, 'Jeg løb dernede, og det var metallisk brint.

"Jeg sagde straks, at vi skal foretage målingerne for at bekræfte det, så vi omarrangerede laboratoriet ... og det var det, vi gjorde, "sagde han." Det er en fantastisk præstation, og selvom den kun findes i denne diamantamboltcelle ved højt tryk, det er en meget grundlæggende og transformerende opdagelse. "