Metallischer Wasserstoff steht kurz vor der „Zerstörung“

Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element im Universum und zugleich das erste Element im Periodensystem, das zur ersten Hauptgruppe gehört.

Im Chemieunterricht der Oberstufe wissen wir, dass die erste Hauptgruppe aus Alkalimetallen wie Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Cäsium, Francium usw. besteht, die alle sehr aktive Metalle sind. Allerdings ist das Element Wasserstoff, das in der ersten Hauptgruppe an erster Stelle steht, etwas fehl am Platz, da es nichtmetallische Eigenschaften aufweist.

Wissenschaftler gehen jedoch davon aus, dass Wasserstoff als Element der ersten Hauptgruppe das Potenzial haben sollte, metallische Eigenschaften zu besitzen.

Bereits 1935 sagte der theoretische Physiker Eugene Paul Wigner voraus, dass fester Wasserstoff mit steigendem Druck (auf etwa das 4-Millionen-fache des atmosphärischen Drucks auf der Erdoberfläche) die Eigenschaften eines Leiters aufweisen würde, was bedeutet, dass Wasserstoff nun Elektrizität leiten kann .

Aufgrund dieser Vorhersage haben Wissenschaftler auf der ganzen Welt versucht, metallischen Wasserstoff zu finden. Allerdings ist es äußerst schwierig, einen ausreichend hohen Druck zu erzeugen, um die Theorie zu testen.

Obwohl Wissenschaftler nach mehr als einem halben Jahrhundert noch immer keinen Blick auf das wahre Erscheinungsbild von metallischem Wasserstoff erhaschen können, haben viele wissenschaftliche Forschungsteams in Frankreich, den USA und Deutschland große Fortschritte bei der Komprimierung von Wasserstoff und der Entdeckung der Eigenschaften von Wasserstoff unter hohem Druck erzielt.

Erstes Auftreten von metallischem Wasserstoff

Erst im Januar 2017 gaben Issac Silvera, Professor am Institut für Naturwissenschaften der Harvard University, und sein Postdoktorand Ranga Dias bekannt, dass sie das wertvollste Material der Welt entdeckt hätten: metallischen Wasserstoff .

Das entsprechende Papier wurde am 26. Januar in der Zeitschrift Science veröffentlicht.

Um dieses extrem seltene Material zu gewinnen, sind herkömmliche Methoden definitiv nicht möglich, daher haben Wissenschaftler eine Diamantstempelzellenmethode (DAC) erfunden.

Einfach ausgedrückt ist Druck das Verhältnis des auf ein Objekt ausgeübten Drucks zur Kraftfläche . Wenn der von uns ausgeübte Druck seine Grenze erreicht, können wir den Druck erhöhen, indem wir die Kraftfläche verringern.

Wenn Sie das nicht verstehen, können Sie sich vorstellen, ob es mehr weh tut, wenn ein Mädchen Sie mit einem Schuh mit runder Spitze oder einem Schuh mit spitzer Spitze tritt …

Silvara und Diaz verwendeten einen Diamantamboss. Bei ultraniedrigen Temperaturen legten sie eine kleine Wasserstoffprobe auf den Diamantamboss (die Spitze des Diamanten mit einem Durchmesser von etwa 50 Mikrometern) und richteten Infrarotlicht ein, um die Reflektivität des Wasserstoffs zu messen und so festzustellen, ob er metallisch war . Durch kontinuierliches Anwenden äußerer Kraft erreichte der Druck zwischen den beiden Diamanten schließlich 495 GPa.

Unter solch hohem Druck stellten sie überrascht fest, dass der ursprünglich schwarze feste Wasserstoff allmählich einen metallischen Glanz annahm und sich auch die Reflektivität der Probe von Schwarz zu hoher Reflektivität änderte , was genau die Eigenschaft von Metall ist.

Die Zustände von Wasserstoffproben bei unterschiedlichen Drücken: transparent, undurchsichtig und metallisch

Nach der Veröffentlichung der Studie äußerten einige Wissenschaftler jedoch Zweifel. Sie glaubten, dass der von ihnen entdeckte metallische Glanz möglicherweise nicht von metallischem Wasserstoff, sondern auch von Aluminiumoxid herrührte, da Silvaras Team die Diamantoberfläche vor dem Experiment mit einer Schicht Aluminiumoxid überzogen hatte, um die Diffusion von Wasserstoff in die Diamantkristallstruktur zu verhindern .

Angesichts dieser Zweifel ist die beste Möglichkeit, sich dagegen zu wehren, natürlich die Verwendung experimenteller Daten. Deshalb bereitete sich Silvaras Team darauf vor, weitere Eigenschaften von metallischem Wasserstoff zu beobachten. Als sie jedoch einen Laser mit geringer Leistung zur Druckmessung verwendeten, war ein leises „Klicken“ zu hören. Dies lag daran, dass einer der Diamanten dem hohen Druck nicht standhalten konnte und zu Staub zersprang, wodurch auch die einzige Probe metallischen Wasserstoffs verschwand.

Das Wiederauftreten von metallischem Wasserstoff

Zwei Jahre später gab ein Forscherteam unter der Leitung von Paul Loubeyre von der französischen Atomenergiekommission bekannt, dass sie beinahe die Existenz von metallischem Wasserstoff entdeckt hätten .

Europäisches Synchrotronlabor

Diese Forschungsergebnisse erschienen zuerst im arXiv-Physik-Preprint und wurden sechs Monate später offiziell in der neuesten Ausgabe der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Ähnlich wie Silvaras Team an der Harvard University verwendeten auch Loubeyre und sein Team die „Diamantamboss“-Methode, nahmen jedoch Verbesserungen vor und entwarfen einen neuen Diamantamboss namens „Ringdiamantamboss“. Die Spitze dieses Diamanten ist so konstruiert, dass sie einem höheren Druck standhält, um zu verhindern, dass der Diamant wie zuvor durch den hohen Druck zerdrückt wird.

Durch Experimente entdeckte Loubeyre die Lichtreflexion von Wasserstoffproben bei unterschiedlichen Drücken.

Bei einem Druck von 1 GPa ist die Wasserstoffprobe sowohl für sichtbares als auch für infrarotes Licht durchlässig.

Bildquelle: Nature

Wenn der Druck auf 300 GPa ansteigt, wird der Wasserstoff der Probe fest und sichtbares Licht kann ihn nicht mehr durchdringen. Nur Infrarotlicht mit geringerer Energie als sichtbares Licht kann festen Wasserstoff durchdringen.

Bildquelle: Nature

Wenn der Druck auf 425 GPa ansteigt, nimmt die Reflektivität von festem Wasserstoff stark zu. Zu diesem Zeitpunkt sind sowohl sichtbares Licht als auch Infrarotlicht undurchdringlich. Dies bedeutet auch, dass fester Wasserstoff zu diesem Zeitpunkt das gesamte Licht blockieren kann und nicht mehr transparent ist.

Bildquelle: Nature

Die Forscher glauben, dass die diskontinuierliche und reversible Änderung der optischen Reflektivität von festem Wasserstoff unter extremem Druck und niedriger Temperatur ein starker Beweis für die Umwandlung von festem Wasserstoff in metallischen Wasserstoff ist.

Dies kann jedoch nicht als „solider Beweis“ für das Auftreten von metallischem Wasserstoff dienen. Tatsächlich behaupteten die Forscher nicht, dass es sich bei dem, was sie beobachteten, um metallischen Wasserstoff handelte. Wie der Titel ihres Artikels verdeutlicht, fanden sie Hinweise darauf, dass „fester Wasserstoff in metallischen Wasserstoff übergehen kann“.

Der rote Teil in der Mitte wird wahrscheinlich eher durch molekulare Veränderungen im Diamanten als durch Wasserstoff verursacht.

Wenn wir nun wirklich die Existenz von metallischem Wasserstoff beweisen wollen, müssen wir lediglich die Leitfähigkeit der Wasserstoffprobe unter hohem Druck und niedriger Temperatur testen. Wenn die Wasserstoffprobe eine hohe Leitfähigkeit aufweist, können wir grundsätzlich die Existenz von metallischem Wasserstoff nachweisen.

Allerdings ist es schwierig, Leitfähigkeitsmessungen an Wasserstoffproben in diesem Zustand durchzuführen, da hierzu die Diamantspitze mit einer winzigen Elektrode verbunden und mit einer kleinen Menge festen Wasserstoffs in Kontakt gebracht werden muss . Derzeit ist es jedoch schwierig, eine derart präzise Verbindung herzustellen.

Obwohl Loubeyres Experiment noch keine schlüssige wissenschaftliche Aussage wie „wir haben metallischen Wasserstoff erzeugt“ liefern kann, sind Wissenschaftler auf diesem Gebiet im Allgemeinen der Ansicht, dass dieses experimentelle Ergebnis ein nahezu entscheidender Beweis für die Produktion von metallischem Wasserstoff ist.

Vielleicht kann metallischer Wasserstoff jetzt nur in Diamantstempelzellen existieren, aber in weiteren zehn oder sogar zwanzig Jahren wird metallischer Wasserstoff hell unter der Sonne leuchten .