Hidrogênio metálico - Metallic hydrogen
O hidrogênio metálico é uma fase do hidrogênio em que se comporta como um condutor elétrico . Esta fase foi prevista em 1935 por fundamentos teóricos por Eugene Wigner e Hillard Bell Huntington .
Em altas pressões e temperaturas, o hidrogênio metálico pode existir como parcialmente líquido em vez de sólido , e os pesquisadores acreditam que ele pode estar presente em grandes quantidades nos interiores quentes e gravitacionalmente comprimidos de Júpiter e Saturno , bem como em alguns exoplanetas .
Previsões teóricas
Hidrogênio sob pressão
Embora frequentemente colocado no topo da coluna de metal alcalino na tabela periódica , o hidrogênio não exibe, em condições normais, as propriedades de um metal alcalino. Em vez disso, forma H diatômico
2moléculas, análogas aos halogênios e alguns não metais no segundo período da tabela periódica, como nitrogênio e oxigênio . O hidrogênio diatômico é um gás que, à pressão atmosférica , se liquefaz e se solidifica apenas em temperaturas muito baixas (20 graus e 14 graus acima do zero absoluto , respectivamente). Eugene Wigner e Hillard Bell Huntington previram que sob uma pressão imensa de cerca de 25 GPa (250.000 atm; 3.600.000 psi), o hidrogênio apresentaria propriedades metálicas : em vez de H discreto
2moléculas (que consistem em dois elétrons ligados entre dois prótons), uma fase em massa se formaria com uma rede sólida de prótons e os elétrons deslocalizados por toda parte. Desde então, a produção de hidrogênio metálico em laboratório tem sido descrita como "... o Santo Graal da física de alta pressão."
A previsão inicial sobre a quantidade de pressão necessária acabou se mostrando muito baixa. Desde o primeiro trabalho de Wigner e Huntington, os cálculos teóricos mais modernos apontam para pressões de metalização mais altas, mas ainda assim potencialmente alcançáveis, de cerca de 400 GPa (3.900.000 atm; 58.000.000 psi).
Hidrogênio metálico líquido
O hélio-4 é um líquido à pressão normal próximo ao zero absoluto , consequência de sua alta energia de ponto zero (ZPE). O ZPE de prótons em um estado denso também é alto, e um declínio na energia de ordenação (em relação ao ZPE) é esperado em altas pressões. Argumentos foram avançados por Neil Ashcroft e outros que há um ponto máximo de fusão no hidrogênio comprimido , mas também que pode haver uma gama de densidades, em pressões em torno de 400 GPa, onde o hidrogênio seria um metal líquido, mesmo em baixas temperaturas.
Geng previu que o ZPE dos prótons realmente reduz a temperatura de fusão do hidrogênio a um mínimo de 200-250 K (−73 - −23 ° C) a pressões de 500-1.500 GPa (4.900.000-14.800.000 atm; 73.000.000-218.000.000 psi).
Dentro desta região plana pode haver um intermediário de mesofase elementar entre o estado líquido e sólido, que pode ser estabilizado de forma metastável até baixa temperatura e entrar em um estado supersólido .
Supercondutividade
Em 1968, Neil Ashcroft sugeriu que o hidrogênio metálico poderia ser um supercondutor , até a temperatura ambiente (290 K ou 17 ° C). Esta hipótese é baseada em um forte acoplamento esperado entre os elétrons de condução e as vibrações da rede . Isso pode realmente ter sido confirmado no início de 2019, o hidrogênio metálico foi feito pelo menos duas vezes no laboratório e um efeito 250K Meissner foi experimentalmente observado, mas não verificado de forma independente por Silvera et al e uma equipe na França.
Como propelente de foguete
O hidrogênio metálico metaestável pode ter potencial como um propelente de foguete altamente eficiente, com um impulso específico teórico de até 1700 segundos, embora uma forma metaestável adequada para produção em massa e armazenamento convencional de alto volume possa não existir.
Possibilidade de novos tipos de fluido quântico
Os "super" estados da matéria atualmente conhecidos são supercondutores , líquidos e gases superfluidos e supersólidos . Egor Babaev previu que se o hidrogênio e o deutério têm estados metálicos líquidos, eles podem ter estados ordenados quânticos que não podem ser classificados como supercondutores ou superfluidos no sentido usual. Em vez disso, eles podem representar dois novos tipos possíveis de fluidos quânticos : superfluidos supercondutores e superfluidos metálicos . Previa-se que tais fluidos teriam reações altamente incomuns a campos magnéticos externos e rotações, o que poderia fornecer um meio de verificação experimental das previsões de Babaev. Também foi sugerido que, sob a influência de um campo magnético, o hidrogênio pode exibir transições de fase de supercondutividade para superfluidez e vice-versa.
A liga de lítio reduz a pressão necessária
Em 2009, Zurek et al. previu que a liga LiH
6seria um metal estável com apenas um quarto da pressão necessária para metalizar o hidrogênio, e que efeitos semelhantes deveriam ser mantidos para ligas do tipo LiH n e possivelmente "outros sistemas alcalinos de alto hidreto ", ou seja, ligas do tipo XH n onde X é um metal alcalino . Isso foi verificado posteriormente em AcH 8 e LaH 10 com T c se aproximando de 270K, levando à especulação de que outros compostos podem até ser estáveis a meras pressões de MPa com supercondutividade à temperatura ambiente.
Perseguição Experimental
Compressão por onda de choque, 1996
Em março de 1996, um grupo de cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Livermore relatou que havia produzido por acaso o primeiro hidrogênio metálico identificável por cerca de um microssegundo a temperaturas de milhares de kelvins , pressões de mais de 100 GPa (1.000.000 atm; 15.000.000 psi) e densidades de aproximadamente0,6 g / cm 3 . A equipe não esperava produzir hidrogênio metálico, pois não estava usando hidrogênio sólido , considerado necessário, e estava trabalhando em temperaturas acima das especificadas pela teoria da metalização. Estudos anteriores, nos quais o hidrogênio sólido foi comprimido dentro de bigornas de diamante a pressões de até 250 GPa (2.500.000 atm; 37.000.000 psi), não confirmaram a metalização detectável. A equipe buscou simplesmente medir as mudanças menos extremas de condutividade elétrica que esperavam. Os pesquisadores usaram uma arma de gás leve da década de 1960 , originalmente empregada em estudos de mísseis guiados , para atirar uma placa impactadora em um recipiente selado contendo uma amostra de meio milímetro de espessura de hidrogênio líquido . O hidrogênio líquido estava em contato com fios que conduziam a um dispositivo de medição da resistência elétrica. Os cientistas descobriram que, conforme a pressão subia para 140 GPa (1.400.000 atm; 21.000.000 psi), o gap de energia eletrônica , uma medida de resistência elétrica , caiu para quase zero. O intervalo de banda do hidrogênio em seu estado descompactado é de cerca de15 eV , tornando-o um isolante , mas, à medida que a pressão aumenta significativamente, o gap gradualmente caiu para0,3 eV . Porque a energia térmica do fluido (a temperatura tornou-se cerca de 3.000 K ou 2.730 ° C devido à compressão da amostra) estava acima0,3 eV , o hidrogênio pode ser considerado metálico.
Outra pesquisa experimental, 1996-2004
Muitos experimentos continuam na produção de hidrogênio metálico em condições de laboratório em compressão estática e baixa temperatura. Arthur Ruoff e Chandrabhas Narayana da Cornell University em 1998, e mais tarde Paul Loubeyre e René LeToullec do Commissariat à l'Énergie Atomique , França em 2002, mostraram que em pressões próximas às do centro da Terra (320-340 GPa ou 3.200.000–3.400.000 atm) e temperaturas de 100–300 K (−173–27 ° C), o hidrogênio ainda não é um metal alcalino verdadeiro, por causa do gap diferente de zero. A busca para ver o hidrogênio metálico em laboratório em baixa temperatura e compressão estática continua. Também estão em andamento estudos sobre o deutério . Shahriar Badiei e Leif Holmlid, da Universidade de Gotemburgo , mostraram em 2004 que os estados metálicos condensados feitos de átomos de hidrogênio excitados ( matéria de Rydberg ) são promotores eficazes do hidrogênio metálico.
Experiência de aquecimento a laser pulsado, 2008
O máximo teoricamente previsto da curva de fusão (o pré-requisito para o hidrogênio metálico líquido) foi descoberto por Shanti Deemyad e Isaac F. Silvera usando aquecimento a laser pulsado. Molecular rico em hidrogénio silano ( SiH
4) foi alegado como metalizado e se tornou supercondutor por MI Eremets et al. . Esta alegação é contestada e seus resultados não foram repetidos.
Observação de hidrogênio metálico líquido, 2011
Em 2011, Eremets e Troyan relataram a observação do estado metálico líquido do hidrogênio e deutério a pressões estáticas de 260–300 GPa (2.600.000–3.000.000 atm). Essa afirmação foi questionada por outros pesquisadores em 2012.
Máquina Z, 2015
Em 2015, cientistas da Z Pulsed Power Facility anunciaram a criação de deutério metálico usando deutério líquido denso , uma transição de isolador para condutor elétrico associada a um aumento na refletividade óptica.
Observação alegada de hidrogênio metálico sólido, 2016
Em 5 de outubro de 2016, Ranga Dias e Isaac F. Silvera da Universidade de Harvard divulgaram alegações de evidências experimentais de que o hidrogênio metálico sólido foi sintetizado em laboratório a uma pressão de cerca de 495 gigapascais (4.890.000 atm ; 71.800.000 psi ) usando uma célula de bigorna de diamante . Este manuscrito estava disponível em outubro de 2016, e uma versão revisada foi posteriormente publicada na revista Science em janeiro de 2017.
Na versão pré-impressa do artigo, Dias e Silvera escrevem:
Com o aumento da pressão observamos mudanças na amostra, passando de transparente para preto, para um metal reflexivo, este último estudado a uma pressão de 495 GPa ... a refletância usando um modelo de elétron livre Drude para determinar a frequência do plasma de 30,1 eV em T = 5,5 K, com uma densidade de portador de elétrons correspondente de6,7 × 10 23 partículas / cm 3 , consistente com as estimativas teóricas. As propriedades são as de um metal. O hidrogênio metálico sólido foi produzido em laboratório.
- Dias & Silvera (2016)
Silvera afirmou que não repetiram o experimento, pois mais testes podem danificar ou destruir a amostra existente, mas garantiu à comunidade científica que mais testes estão por vir. Ele também afirmou que a pressão acabaria sendo liberada, a fim de descobrir se a amostra era metaestável (ou seja, se ela persistiria em seu estado metálico mesmo após a liberação da pressão).
Pouco depois de a afirmação ser publicada na Science , a divisão de notícias da Nature publicou um artigo afirmando que alguns outros físicos consideraram o resultado com ceticismo. Recentemente, membros proeminentes da comunidade de pesquisa de alta pressão criticaram os resultados alegados, questionando as pressões alegadas ou a presença de hidrogênio metálico nas pressões alegadas.
Em fevereiro de 2017, foi relatado que a amostra do hidrogênio metálico reivindicado foi perdida, após as bigornas de diamante terem sido contidas entre os refugos.
Em agosto de 2017, Silvera e Dias publicaram uma errata ao artigo da Science , a respeito dos valores de refletância corrigidos devido às variações entre a densidade óptica de diamantes naturais estressados e os diamantes sintéticos usados em sua célula de bigorna de diamante de pré-compressão .
Em junho de 2019, uma equipe do Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternativas (Comissão Francesa de Energias Alternativas e Energia Atômica) afirmou ter criado hidrogênio metálico em cerca de 425GPa usando uma célula de bigorna de diamante de perfil toroidal produzida usando usinagem de feixe de elétrons
Experimentos com deutério fluido na National Ignition Facility, 2018
Em agosto de 2018, os cientistas anunciaram novas observações sobre a rápida transformação do deutério fluido de uma forma isolante para uma forma metálica abaixo de 2.000 K. Uma concordância notável é encontrada entre os dados experimentais e as previsões baseadas em simulações Quantum Monte Carlo, que se espera que seja o método mais preciso até o momento. Isso pode ajudar os pesquisadores a entender melhor os planetas gasosos gigantes , como Júpiter, Saturno e exoplanetas relacionados , uma vez que acredita-se que tais planetas contenham uma grande quantidade de hidrogênio metálico líquido, que pode ser responsável por seus poderosos campos magnéticos observados .
Veja também
- Hidrogênio derretido
- Linha do tempo das tecnologias de hidrogênio
- Juno (nave espacial)
- Pressão de metalização
- Hidreto # Hidretos intersticiais ou hidretos metálicos