Volgens voorspellingen van de gecondenseerde materie, bij een voldoende hoge druk, waterstof moet dissociëren en transformeren in een atomair metaal. Echter, het exacte drukbereik waarbij dit gebeurt is nog niet vastgesteld, en het proces waardoor waterstof een metaal wordt, is nog enigszins onduidelijk.

In een recente studie, onderzoekers van het Max Planck Institute of Chemistry hebben aangetoond dat bij een druk van 350-360 GPa en bij temperaturen onder 200K, moleculair waterstof gaat geleiden en wordt halfmetaal. hun papier, gepubliceerd in Natuurfysica , levert interessant nieuw inzicht op over de transitie van waterstof bij hoge druk, onthulling van enkele van de eigendommen die het verwerft.

"Typisch, metallische waterstof wordt beschouwd als atomaire waterstof - een kristal opgebouwd uit protonen na dissociatie van de moleculen, "Michail Eremets, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Echter, waterstof kan ook in moleculaire toestand in een metaal veranderen - in dit geval elektronische banden van moleculair waterstofkristal worden breder en overlappen elkaar uiteindelijk, zodat de band gap sluit, vrije elektronen en gaten verschijnen - dit is de metaaltoestand."

De begintoestand waarin de elektronische banden van moleculair waterstofkristal elkaar overlappen, staat bekend als halfmetaal. In deze staat, het metaal heeft een slechte geleidbaarheid, omdat het aantal vervoerders laag is. Als de druk verder wordt verhoogd, echter, dit slecht geleidende metaal verandert in een normaal metaal en uiteindelijk in atomaire waterstof.

"Ons doel was om de druk te vinden waarbij metallische elektrische geleidbaarheid verschijnt, en als dit resulteert in een moleculair of atomair metaal, Eremets zei. "Zo voerden we elektrische metingen uit, omdat dit de enige methode is die ons direct vertelt of waterstof geleidt en of het een metaal is. Een metaal geleidt typisch tot de laagste temperaturen; een halfgeleider kan ook geleiden, maar bij lagere temperaturen, geleidbaarheid neemt exponentieel af en verdwijnt."

In hun experimenten, de onderzoekers verzamelden Raman-metingen tot 480 GPa om veranderingen te identificeren die plaatsvinden in waterstof bij verschillende drukken. Ze ontdekten dat waterstof begon te geleiden bij drukken boven 360 GPa, maar het bleef een halfmetaal tot 440 GPa.

Om Raman-metingen te verzamelen, de onderzoekers gebruikten kleine DAC's met synthetische diamanten. Deze diamanten hebben een extreem lage luminescentie, zelfs bij een druk van ~500 GPa. Voor elektrische metingen, anderzijds, ze gebruikten vier elektrische snoeren die op diamanten aambeelden waren gesputterd, die door een isolerende laag van de metalen pakking waren geïsoleerd.

Algemeen, de metingen die ze verzamelden, toonden aan dat de halfmetalen waterstof die in hun experimenten werd waargenomen, zich in de moleculaire toestand bevindt. Deze bevindingen bevestigen dus hun hypothese dat waterstof een metaal wordt in zijn moleculaire toestand.

"Boven 360 GPa, elektrische geleidbaarheid sterk verhoogd met druk, Eremets legde uit. "De geleidbaarheid nam niet exponentieel af bij afkoeling, wat aangeeft dat waterstof geen halfgeleider is. Anderzijds, het is geen goed metaal, omdat de geleidbaarheid slechts licht toeneemt bij afkoeling. Dergelijk gedrag is typerend voor halfmetalen zoals bismut of drukgeïnduceerde halfmetalen zoals zuurstof of xenon."

Algemeen, de metingen verzameld door Eremets en zijn collega's leveren het bewijs dat halfmetaal waterstof in de moleculaire toestand blijft, ten minste tot een druk van 440 GPa. Wanneer de druk boven 440GPa stijgt, echter, het Raman-signaal dat door de waterstof wordt uitgezonden verdwijnt, wat suggereert dat er een verdere transformatie plaatsvindt.

"Het bereiken van de vereiste druk boven 350 GPa is een moeilijke taak, Eremets zei. "Het hangt van een aantal factoren af, eerst, van de geometrie van de aambeelden. We hebben veel pogingen gedaan om de multimegabar-druk te bereiken. Echter, we verkregen reproduceerbare gegevens."

De recente studie uitgevoerd door Eremets en zijn collega's toont duidelijk aan dat boven ~360 GPa, waterstof verandert in een halfmetaal in zijn moleculaire toestand. Echter, deze halfmetalen substantie vertoont ongewoon gedrag, die niet is afgestemd op de algemene theoretische voorspellingen van metallische waterstof in een atomaire toestand. Integendeel, de onderzoekers zagen dat waterstof in zijn moleculaire toestand overgaat in een halfmetalen stof.

"Onze bevindingen zouden verdere theoretische en experimentele werken aan het begrip van de complexe transformatie van waterstof in metaal moeten stimuleren, Eremets zei. "We zijn nu van plan om onze elektrische metingen uit te breiden naar hogere drukken en supergeleiding te vinden in metallische waterstof."

© 2019 Wetenschap X Netwerk