Neue Erkenntnisse über die Entstehung von metallischem Wasserstoff

Die vorhergesagte optische Absorption von einer 1 Mikrometer dicken Wasserstoffprobe in einer Hochdruck-Diamantstempelzelle für verschiedene Kristallstrukturen bei einem Druck von 300 Gigapascal (3 Millionen Bar, vergleichbar mit dem Druck im Zentrum der Erde). Eine ausführliche Beschreibung steht unten im Text. (Courtesy of Ronald Cohen)
Die vorhergesagte optische Absorption von einer 1 Mikrometer dicken Wasserstoffprobe in einer Hochdruck-Diamantstempelzelle für verschiedene Kristallstrukturen bei einem Druck von 300 Gigapascal (3 Millionen Bar, vergleichbar mit dem Druck im Zentrum der Erde). Eine ausführliche Beschreibung steht unten im Text. (Courtesy of Ronald Cohen)

Wasserstoff ist scheinbar einfach aufgebaut – er besitzt nur ein einziges Elektron pro Atom, aber er versorgt die Sonne mit Energie und bildet den Großteil des beobachteten Universums. Deswegen ist er natürlicherweise dem gesamten Temperatur- und Druckbereich des ganzen Universums ausgesetzt. Aber Wissenschaftler haben immer noch Probleme damit, sogar grundlegende Aspekte seiner unterschiedlichen Formen unter Hochdruck-Bedingungen zu verstehen.

Experimentelle Schwierigkeiten tragen zu diesem Mangel an Wissen über die Formen des Wasserstoffs bei. Die Beherrschung von Wasserstoff unter Hochdruck-Bedingungen und die Rivalität zwischen seinen vielen vergleichbaren Strukturen spielen beide eine Rolle bei dem relativen Mangel an Wissen. Man nimmt an, dass sich Wasserstoff unter hohen Drücken in ein Metall transformiert, was bedeutet, dass er Elektrizität leitet. Eines der Hauptziele der Hochdruckphysik, die bis in die 1930er Jahre zurückgeht, ist es, einen metallischen Zustand in Wasserstoff zu erreichen. Kürzlich gab es Behauptungen, nach denen Wasserstoff bei Raumtemperatur metallisch wurde, aber sie sind widersprüchlich.

Neue Forschungsarbeiten eines Teams vom Geophysical Laboratory der Carnegie Institution for Science leisten entscheidende Beiträge zu unserem Verständnis über das Hochdruck-Verhalten dieses lebendigen Elements. Die Arbeit wird in zwei Abhandlungen in den Journalen Proceedings of the National Academy of Sciences und Physical Review B. veröffentlicht. Neue theoretische Berechnungen der Carnegie-Forscher Ronald Cohen, Ivan Naumov und Russel Hemley deuten darauf hin, dass Wasserstoff unter hohem Druck eine Reihe geschichteter, bienenwabenförmiger Gitterstrukturen einnimmt, ähnlich wie Graphit. Ihren Vorhersagen zufolge bilden die Schichten (welche wie die Kohlenstofflagen sind, aus denen Graphit besteht) ein sehr schwaches, transparentes Metall. Als Folge davon ist seine Signatur sehr schwer nachzuweisen.

"Die Schwierigkeit des Nachweises bedeutet, dass die Linie zwischen Metall und Nichtmetall bei Wasserstoff möglicherweise verschwommener ist, als wir bislang angenommen hatten", sagte Cohen. "Unsere Ergebnisse werden Experimentalforschern helfen, mit fortgeschrittenen Technologien, die die Reflektivität von Licht einbeziehen, auf metallischen Wasserstoff hin zu testen."

Bildbeschreibung:
Die vorhergesagte optische Absorption von einer 1 Mikrometer dicken Wasserstoffprobe in einer Hochdruck-Diamantstempelzelle für verschiedene Kristallstrukturen bei einem Druck von 300 Gigapascal (3 Millionen Bar, vergleichbar mit dem Druck im Zentrum der Erde). Bei diesem Druck bildet Wasserstoff nicht länger Moleküle sondern ordnet sich stattdessen in Lagen an, wie auf dem Bild gezeigt. Wissenschaftler nutzen die optische Absorption, um nach Metallisierungsprozessen in Wasserstoff zu suchen, basierend auf der Vermutung, dass metallischer Wasserstoff nicht lichtdurchlässig wäre, so wie es bei den meisten Metalle der Fall ist. Aber die Analyse des Teams zeigt, dass er tatsächlich sehr wohl transparent sein könnte. Die Graphit-Struktur ist eine ideale Struktur, von der man nicht annimmt, dass sie in Wirklichkeit beobachtet werden kann. Die vorhergesagten Hochdruckformen Phase 3 (bei niedrigen Temperaturen) und Phase 4 (bei Raumtemperatur) sind laut den Berechnungen in nahinfraroten und optischen Lichtfrequenzen transparent, obwohl Phase 4 ein schwaches Metall ist. Die Cmca-Struktur ist vergleichbar, soll aber ein besseres Metall und nicht durchsichtig sein und sich unter höherem Druck bilden.

Quelle: http://carnegiescience.edu/news/how_does_hydrogen_metallize

(THK)

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Ein Kommentar

  1. Die Russischen Forscher unter Vereshagin u.a. haben zur Zeit des Kommunismus daran gearbeitet. Es gab die Vision metallischen Wasserstoff in einer riesigen Hochdruckpresse herzustellen, deren Widerlager zwischen zwei Bergen gebaut werden sollte. Die Hochdruckzelle aus gesinterten künstlichen Diamanten sollte ca.1m messen. Bis heute ist es dazu nicht gekommen. Dafür gibt es immerhin syntetische Diamanten verschiedenster Art, was wesentlich friedlicher erscheint.

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