Zastosowanie wysokiego ciśnienia do otrzymywania materiałów

Otrzymywanie metalicznego wodoru

Próby uzyskania metalicznego wodoru trwają od dziesięcioleci. Wiązały się one m.in z przewidywaniami, że metaliczny wodór będzie wykazywał nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej. Doniesienia (w latach 70. i 80.) o uzyskaniu stałego metalicznego wodoru metodą ściskania wodoru w kowadłach diamentowych (ciśnienie do 260 GPa) w temp. 4,2 K nie zostały potwierdzone. Przypuszcza się, że metaliczny wodór będzie można otrzymać w wyniku przemiany fazowej pod jeszcze wyższym ciśnieniem (ok. 300 GPa); przemianie tej towarzyszyłaby dysocjacja cząsteczek wodoru H₂.

Sukcesem zakończyły się próby uzyskania stałej fazy metalicznej z fazy ciekłej, w których zastosowano ciśnienia dynamiczne równe 140 GPa i temperaturę ok. 3000 K. Warunki odpowiednie do zajścia tej przemiany uzyskuje się w układzie wykorzystującym działo gazowe. Stwierdzono, że oporność elektryczna wodoru metalicznego maleje o 4 rzędy wielkości przy zwiększaniu ciśnienia z 90 do 140 GPa, a jego przerwa energetyczna pod ciśnieniem ok. 140 GPa maleje do wartości , czyli jest rzędu 0,1 eV (dla fazy ciekłej pod ciśnieniem normalnym wynosi ok. 15 eV). Pomiędzy 140 i 180 GPa oporność elektryczna wodoru nie zmienia się. Stwierdzono też, że metaliczny wodór składa się w 5% z atomów, a w 95% – z cząsteczek H₂. Elektrony przewodnictwa pochodzą prawdopodobnie ze zjonizowanych cząsteczek H₂⁺. Autorzy opisanego eksperymentu twierdzą, że istnienie metalicznego ciekłego wodoru wymaga przejścia cząsteczek H₂ w wodór atomowy i odwrotnie w czasie rzędu kilku okresów drgań cząsteczek, tj. równym ok. 10^-14 s.

Uzasadnione jest tu pytanie dlaczego warunki przejścia wodoru do fazy metalicznej w "gorącej" cieczy ( 3000 K i ciśnienie krytyczne 140 GPa) różnią się tak bardzo od warunków krytycznych przewidywanych dla stałego wodoru (temperatury kriogeniczne i ciśnienie ok. 300 GPa). Z obliczeń teoretycznych wynika, że porządkowanie się par protonów w strukturę o charakterze ferroelektrycznym (skorelowane przesunięcia par protonów z węzłów sieci krystalicznej) utrudnia przejście do fazy metalicznej.