Kov vodíku je fáze z vodíku , který se vyskytuje, když je vystaven silnému tlaku . Toto je příklad zdegenerované hmoty . Odhaduje se, že existuje řada tlaků (kolem 400 GPa ), takže kovový vodík je kapalný , dokonce i při velmi nízkých teplotách.
Kovový vodík sestává z mřížky z atomových jader , protony , jejichž rozteč je podstatně menší, než je poloměr Bohr . Ve skutečnosti je rozteč je srovnatelná s vlnovou délkou z elektronu (viz ohledu na to, vlna ). Tyto elektrony nejsou vázány, a proto se chovají jako elektrony vodivého kovu .
Kovový vodík může vykazovat fázové přechody v přítomnosti magnetického pole , které se mění ze supravodivého stavu do supratekutého a naopak.
I když je vodík na samém vrcholu periodické tabulky , na vrcholu sloupce s alkalickým kovem , za normálních podmínek tomu tak není . V roce 1935 předpovídal budoucí laureát Nobelovy ceny Eugene Wigner s HB Huntingtonem , že za podmínek obrovského tlaku se atomy vodíku připojí k jejich skupině periodické tabulky, čímž se vzdá úzké vazby s elektronem .
Požadovaný tlak poté téměř znemožnil experimentální ověření. Navíc jejich předpovědi potřebného tlaku nebyly dostatečně vysoké.
V laboratoři pokračují experimenty s výrobou kovového vodíku. V roce 1998 , Arthur Ruoff a Chandrabhas Narayana z Cornell University a v roce 2002 , Paul Loubeyre a René LeToullec o energetické komise French Atomic , ukázal, že při tlacích blízkých těm, které převládají ve středu Země (3,2 až 3,4 milionu atmosfér) a při teplotách 100 až 300 K, vodík stále není alkalickým kovem . Výzkum zaměřený na pozorování kovového vodíku v laboratoři pokračuje více než 70 let po předpovědi jeho existence.
v Březen 1996, uvedli vědci z Národní laboratoře Lawrencea Livermora, že vyráběli kovový vodík serendipity . Asi za mikrosekundu by teploty tisíc Kelvinů a tlaky miliónů atmosfér (> 100 GPa ) produkovaly identifikovatelný kovový vodík. Takto vyrobený kov se nechová jako alkalický kov.
KontextVědci z týmu Lawrence Livermore neplánovali vyrábět kovový vodík, protože nepoužívali tuhý vodík, který měl být nezbytný, a pracovali nad teplotami naznačenými teorií metalizace . Kromě toho v předchozích studiích, že pevný vodík byl stlačen uvnitř diamantových kovadlin při tlacích do 2,5 milionu atmosfér (~ 253 GPa ), nebyla pozorována žádná patrná metalizace. Tým hledal pouze měření méně extrémních změn vodivosti, které předpovídali.
Experimentální podrobnostiVědci použili lehké zbraně plynů (původně použity ve studiích řízených střel těchto 1960 ) střílet nárazovou desku umístěn v uzavřené nádobě, tlustého tekutého vodíku, který obsahuje vzorek půl milimetru . Nejprve se na jednom konci zbraně vodík ochladil na přibližně 20 K uvnitř nádoby, která obsahovala baterii připojenou vodiči k Rogowského cívce a k osciloskopu ; dráty se také na několika místech dotýkají povrchu vodíku, takže zařízení lze použít k měření a záznamu jeho elektrické vodivosti . Na opačném konci, a to až do 3 kg na prášku se zapálí. Výsledná exploze tlačí na píst čerpadla a stlačuje plyn uvnitř. Plyn poté dosáhne dostatečně vysokého tlaku, aby otevřel ventil na opačném konci komory. Pronikáním do tenké „hlavně“ pohánělo kovovou nárazovou desku potaženou plastem do kontejneru rychlostí 8 km / s a stlačovalo vodík uvnitř.
VýsledekVědci byli ohromeni, když zjistili, že když tlak dosáhl 1,4 milionu atmosfér ( 142 GPa ), pásmový odstup elektronické energie (míra elektrického odporu) klesne téměř na nulu.
Prostor elektronového energetického pásma vodíku v jeho nekomprimovaném stavu je asi 15 eV , což z něj činí izolátor , ale jak se zvyšuje tlak, mezera pásma postupně klesá na 0, 3 eV. Jelikož 0,3 eV je dodáváno tepelnou energií tekutiny (teplota stoupla na přibližně 3 000 K v důsledku stlačení vzorku), může být vodík v tuto chvíli považován za zcela kovový.
V roce 2011 Eremets a Troyan oznámili, že identifikovali kovové kapalné skupenství vodíku ( protia ) a deuteria při statickém tlaku 2600 000–3 000 000 atm (263,445–303,975 GPa ). Toto oznámení zpochybňují další vědci v roce 2012.
V roce 2015 byl oznámen objev kovového deuteria strojem Z.
Isaac Silvera a Ranga Dias z Harvardovy univerzity tvrdili, že získávali kovový vodík pomocí diamantových kovadlin pod tlakem 495 GPa . Tato studie byla publikována ve Vědě dne26. ledna 2017 ale je zpochybňován jinými týmy pracujícími ve stejné oblasti výzkumu.
Francouzsko-americký tým uvádí, že by bylo možné vyrobit vodíkový kov pomocí 168 laserových paprsků umožňujících tlak rovný 5 milionům tlaků naší atmosféry.
Použití diamantový buňku speciálně tvarované tak, že tlak je známo, s nízkou nejistotou, francouzský tým získává při 80 K a 425 GPa reverzibilní fázového přechodu z pevného vodíku, vyznačující se tím, náhlou změnou v infračervené odrazivosti . Jedná se s největší pravděpodobností o přechod molekulární vodík-kovový vodík, ačkoli experimentální uspořádání neumožňuje měřit elektrickou vodivost, aby se to potvrdilo.
Předpokládá se, že kovový vodík je v Jupiteru , Saturnu a některých exoplanetách přítomen v obrovském množství . Vnitřek těchto planet je vystaven významným gravitačním tlakovým silám .
Modely interiérů těchto planet předpokládaly, že vodík metalizuje při vyšších tlacích, než jaké byly následně objeveny. Výsledkem je, že Jupiterovo kovové jádro je blíže k povrchu, než se očekávalo, a jeho magnetické pole , nejsilnější ze všech planet ve sluneční soustavě , se proto také produkuje blíže k povrchu, než se očekávalo.
Jedním ze způsobů výroby jaderné fúze je zaměření laserů na kousky izotopů vodíku. Lepší pochopení chování vodíku v extrémních podmínkách by mohlo pomoci zvýšit energetickou účinnost tohoto procesu.
Je možné vyrábět značné množství kovového vodíku za účelem zisku. Protože diamant je transformace grafitu komprimací, kterou je obtížné znovu transformovat dekompresí, protože retransformace by vyžadovala velké množství energie, jedna teorie předpovídá existenci formy vodíku, která se nazývá metastabilní kovový vodík a která by se nevrátila. … při dekompresi stěží dosáhne normálního stavu vodíku. S mezí pružnosti z hliníku a z jedné třetiny jeho hustoty , tato forma vodíku by mohly být použity, aby se velmi lehkých automobilů s vysokou účinností paliva.
Kromě toho jej lze použít jako palivo samotné . Docela čistý, jako produkt spalování by měl pouze vodu a oxidy dusíku. Je devětkrát hustší než normální vodík a při obnovení této formy by produkoval značnou energii. Spálená rychleji, bylo by to palivo pětkrát účinnější než kombinace kapalného vodíku a kapalného kyslíku používaného raketoplánu . Vyrobený kovový vodík byl vyroben jen příliš krátce na to, aby bylo možné určit jeho metastabilitu.
Jedna teorie spočívá v tom, že kovový vodík je supravodič při teplotách vyšších než normální teplota místnosti (290 K). To je mnohem vyšší hodnota než u kteréhokoli jiného kandidáta na supravodivost. Je však pochybné, že z toho můžeme čerpat průmyslové aplikace, přičemž tlak nutný k udržení vodíku v kovové formě při pokojové teplotě je velmi obtížné udržet, mnohem více než k udržení nízké teploty nezbytné pro jiné supravodiče.
V roce 2016 se zdá , že Carnegie Institution for Science učinil nové objevy týkající se sloučeniny sodíku a vodíku, o níž se věří, že vykazuje jedinečné kovové vlastnosti a struktury i supravodivé vlastnosti.