В январе научный и околонаучный мир облетела сенсационная новость: гарвардским учёным Исааку Сильвере и Ранге Диасу удалось создать стабильный образец металлического водорода – материала, обладающего уникальной высокотемпературной сверхпроводимостью. Казалось бы, до сверхъёмких накопителей энергии остался один шаг. Но в конце февраля крошечный кусочек металла таинственным образом исчез из лаборатории.

Через давление к звёздам

Возможность создания металлического водорода в лабораторных условиях будоражит учёных больше 80 лет. В 1935 году американские физики Хиллард Белл Хантингтон и Юджин Вигнер предсказали возможность фазового перехода водорода в металлическое состояние под давлением около 250 тысяч атмосфер. Практические же попытки «спрессовать» первый элемент из периодической системы элементов до состояния металла начались в 1970-е годы и продолжаются до сих пор. Объясняется это упорство просто: согласно теоретическим построениям Хантингтона – Вигнера, металлический водород обладает уникальной способностью проводить электрический ток с минимальным сопротивлением, и что ещё важнее – едва ли не при комнатной температуре.

Возможная сфера применения этого материала необычайна широка – от сверхъёмких аккумуляторов до томографов и даже поездов на магнитной подушке. Самые смелые в своих прогнозах теоретики говорят о том, что из металлического водорода можно создать ракетное топливо, которое позволит преодолевать межзвёздные пространства. Кроме того, согласно расчётам астрофизиков, металлический водород составляет значительную часть ядра у так называемых газовых гигантов – планет вроде Юпитера. Так что работая над созданием металлического водорода, учёные в лабораторных условиях получают доступ к тайнам планетарного масштаба.

Битва за металл

В последние годы учёные по всему миру неоднократно пытались сжать крошечные образцы водорода между двумя алмазными «наковальнями». При этом давление, которого удавалось добиться, превышало давление в центре Земли. Подобные эксперименты невероятно сложны и чреваты многочисленными ошибками и сбоями. Исследователи наблюдали, как прозрачный материал, помещённый под сверхмощный пресс, начинает темнеть – это означает, что электроны водорода сближаются настолько, что поглощают фотоны видимого света. Ближе всего приблизиться к цели удалось в 2011 году немецким учёным из Института химии Макса Планка в Майнце. Но создать действительно металлический блестящий водород, который бы отражал свет, никому не удавалось. По крайней мере до минувшей осени.

5 октября 2016 года Исаак Сильвера и Ранга Диас, физики из Гарвардского университета, опубликовали на сайте arXiv.org 11-страничный труд под заголовком «Наблюдение за переходом Вигнера – Хантингтона к твёрдому металлическому водороду» (Observation of the Wigner-Huntington Transition to Solid Metallic Hydrogen). 26 января 2017 года расширенная версия доклада была опубликована на сайте знаменитого журнала Science, и именно эта публикация вызвала настоящий ажиотаж в научных кругах.

Диас и Сильвера утверждали, что им удалось сжать водород под таким давлением, которого до сих пор не достигал никто. Для этого учёные отполировали обе части алмазной наковальни, с тем чтобы избежать возможных трещин, укрепили их оксидом алюминия, взяли крошечный образец водорода, поместили всю эту конструкцию в криостат и довели температуру в нём до абсолютного нуля (-273 °С). В этих условиях они сжали крошечную частицу водорода под давлением 495 гигапаскаль, что почти в 5 млн раз превышает земное атмосферное давление.

«Мы взглянули на образец через микроскоп и увидели, что он отражает свет, блестит, как и должен металлический водород», – заявил Сильвера журналистам.

Сделанные под микроскопом снимки показывают превращение водорода в блестящую металлическую субстанцию

Червь сомнени й

Научное сообщество отреагировало немедленно. 27 января на сайте журнала Nature вышла публикация , в которой сразу пять крупных международных специалистов выразили сомнение в убедительности результатов Сильверы и Диаса.

Геофизик Александр Гончаров из Института Карнеги в Вашингтоне отметил, что блеск, который учёные увидели в микроскопе, не подтверждает того, что им удалось преобразовать водород в металл. Этим блестящим материалом вполне мог быть и оксид алюминия, покрывавший кончики бриллиантов «наковальни».

Физик Евгений Григорянц из Университета Эдинбурга был ещё более категоричен. «Всё это выдумка от начала и до конца, – сказал он. – Проблема в том, что они зафиксировали состояние вещества под максимальным давлением, но не весь процесс фазового перехода».
По мнению Поля Лубера из французского Комиссариата по атомной энергии, статья Сильверы и Диаса неубедительна. «Если они действительно хотят быть убедительными, они должны повторить эксперимент, фиксируя преобразование материала под усиливающимся давлением», – подчеркнул учёный.

Косвенно в защиту гарвардских физиков выступил главный редактор Science Джереми Берг. Не комментируя их доклад по существу, он отметил, что все присылаемые в редакцию рукописи проходят самую тщательную проверку, при этом публикуется не более 7% из них.

Тем временем Сильвера и Диас защищали своё открытие как могли.

Однако в конце февраля учёные выступили с ошеломляющим заявлением. Они рассказали, что в ходе очередного эксперимента один из алмазов наковальни разрушился, а сам образец металлического водорода исчез. «Возможно, он куда-то закатился или попросту снова превратился в газ», – растерянно сообщил Сильвера.

Куда-нибудь «закатиться» образец действительно мог, учитывая, что его диаметр составляет около 10 микрометров – в 5 раз меньше диаметра человеческого волоса. Если же он испарился, скорее всего, это значит, что учёным так и не удалось превратить газ в металл. Иными словами, мечта о металлическом водороде так и осталась лишь мечтой.

Металлический водород — это разновидность вещества, фаза водорода, которая возникает при достаточном сжатии, ведет себя как электрический проводник.

Эта фаза была предсказана в 1935 году Юджином Вигнером и Хиллардом Беллом Хантингтоном и с тех пор производство металлического водорода в лаборатории было названо «святым Граалем физики высокого давления». Металлический водород будет жидким даже при очень низких температурах.

При высоких давлениях и температурах металлический водород может существовать в виде жидкости, а не твердого тела, и исследователи считают, что он присутствует в больших количествах в горячих и гравитационно сжатых недрах , Сатурна и некоторых внесолнечных планет.

Металлический водород

Твердое вещество. Жидкость. Газ. Материалы, которые окружают нас в нашем обычном, повседневном мире, делятся на три аккуратных лагеря. Нагрейте твердый куб воды (лёд), и когда он достигнет определенной температуры, то переходит в фазу жидкости. Продолжайте проворачивать тепло и в конце концов, у вас будет газ: водяной пар.

Каждый элемент и молекула имеют свою «фазовую диаграмму», карту того, что вы должны ожидать, если примените к ней определенную температуру и давление. Диаграмма уникальна для каждого элемента, потому что она зависит от точной атомно-молекулярной компоновки и того, как она взаимодействует с собой в различных условиях. Поэтому ученым нужно изучать эти диаграммы посредством трудных экспериментов и тщательной теории.

Когда речь заходит о водороде, мы обычно не сталкиваемся с этим вообще, за исключением случаев, когда он подпитывается кислородом, чтобы сделать более привычную воду. Даже когда мы получаем чистый водород — он соединяется как двухатомная молекула, почти всегда как газ. Если вы заманили водород в бутылку и довели его температуру до минус 240 градусов Цельсия, водород станет жидким, а при минус 259 градусов C становится твердым.

Вы могли бы подумать, что на противоположном конце температурной шкалы горячий газ водорода останется … горячим газом. И это правда, если давление будет низким. Но сочетание высокой температуры и высокого давления приводит к некоторому интересному поведению.

Погружаясь в Юпитер

На Земле, как мы видели, поведение водорода простое. Но Юпитер — это не Земля, и водород, найденный в изобилии внутри под большими облаками и завихряющимися штормами его атмосферы может быть вытеснен за пределы его обычных пределов.

Погружаясь глубоко под видимую поверхность планеты, давление и температура резко возрастают, и газообразный водород медленно уступает место слою сверхкритического газожидкостного гибрида. Из-за этих экстремальных условий водород не может окунуться в узнаваемое состояние. Слишком жарко, чтобы оставаться жидкостью, но при слишком большом давлении свободно плавать в качестве газа — это новое состояние материи.

Погружаясь глубже, водород становится еще более странным

Даже в своем гибридном состоянии, в тонком слое расположенном под вершинами облаков, водород все еще подпрыгивает, как двухатомная молекула. Но при достаточном давлении (скажем, в миллион раз более интенсивном, чем давление воздуха на Земле на уровне моря) даже те связи молекул недостаточно сильны, чтобы противостоять подавляющим сжатиям.

Ниже, примерно 13 000 км под вершинами облаков, представляет собой хаотическую смесь свободных ядер водорода, которые представляют собой только одиночные протоны, смешанные с освобожденными электронами. Вещество возвращается к жидкой фазе, но то, что делает водород водородом, теперь полностью дезасолируется в его составные части. Когда это происходит при очень высоких температурах и низких давлениях, мы называем это плазмой — то же самое, что и основная часть солнца или молнии.

Но в глубинах Юпитера давление приводит к тому, что водород ведет себя по-другому чем плазма. Вместо этого он приобретает свойства, более похожие на свойства металла. Следовательно: жидкий металлический водород.

Жидкий металлический водород

Большинство элементов на периодической таблице — металлы: они твердые, блестящие и обеспечивают хорошую электрическую проводимость. Элементы получают эти свойства из-за того, что представляют собой при нормальных температурах и давлениях: они соединяются образуя решетку и каждый жертвует один или несколько электронов в общий горшок. Эти диссоциированные электроны свободно перемещаются, прыгая от атома к атому, как им заблагорассудится.

Если вы возьмете стержень золота и растопите его, у вас все еще есть все преимущества электронного обмена металла (кроме твердости), поэтому «жидкий металл» — это не странное понятие. Некоторые элементы, которые обычно не являются металлическими, например углерод, могут использовать эти свойства при определенных условиях.

Итак, «металлический водород» не должен быть странной идеей: это просто неметаллический элемент, который начинает вести себя как металл при высоких температурах и давлениях.

Свойства металлического водорода

Большая проблема состоит в том, что металлический водород не является типичным металлом. У разнородных металлов есть специальная решетка ионов, встроенных в море свободноплавающих электронов. Но урезанный атом водорода — это всего лишь один протон и нет ничего, что протон мог бы сделать, чтобы построить решетку.

Когда вы сжимаете металлический стержень, вы пытаетесь сблизить блокирующие ионы. Электростатическое отталкивание обеспечивает всю опору, чтобы металл был сильным. Но протоны подвешены в жидкости? Как жидкий металлический водород внутри Юпитера поддерживает вес атмосферы над ним?

Ответ — это давление вырождения, квантово-механическая причуда вещества в экстремальных условиях. Исследователи считали, что крайность может быть найдена только в экзотических, ультранизких средах, таких как белые карлики и нейтронные звезды. Даже когда электромагнитные силы перегружены, одинаковые частицы, такие как электроны, могут быть сжаты так плотно вместе — они отказываются разделять одно и то же квантовомеханическое состояние.

Другими словами, электроны никогда не будут разделять один и тот же уровень энергии, а это означает, что они будут накапливаться друг на друге, никогда не приближаясь, даже если вы очень сильно нажимаете.

Другой способ взглянуть на ситуацию — через так называемый принцип неопределенности Гейзенберга: если вы попытаетесь зафиксировать положение электрона, нажав на него, его скорость может стать очень большой, что приведет к силе давления, которая сопротивляется дальнейшему сжатию.

Итак, внутренность Юпитера странная — суп из протонов и электронов, нагретый до температур выше, чем у поверхности Солнца, страдает от давления в миллионы раз сильнее, чем на Земле, и вынужден раскрыть их истинную квантовую природу.

Металлический водород

Металлический водород - совокупность фазовых состояний водорода , находящегося при высоком давлении и претерпевшего фазовый переход . Металлический водород представляет собой вырожденное состояние вещества и обладает некоторыми замечательными свойствами - высокотемпературной сверхпроводимостью и высокой удельной теплотой фазового перехода. Возможно существование твердой кристаллической и жидкой фазы металлического водорода, в которой отсутствует дальний порядок .

История исследований

В 1935 год Ю. Вигнер и X. Б. Хантингтон предсказали переход водорода в металлическое состояние под действием высокого давления (около 25 ГПа) и потерю валентного электрона ядром . В дальнейшем оценка давления, требуемого для фазового перехода, была повышена, но условия перехода всё же считаются потенциально достижимыми. Предсказание свойств металлического водорода ведется теоретически. Попытки получения, начатые в 1970-х годах, привели к серии опытов М. Еремец в 2008 и А так же Еремец и Троян 2011 годах . Однако, имеются сомнения в получении металлического водорода .

Теоретические свойства

Твердый металлический водород

Кристаллическая решетка твердого металлического водорода формируется ядрами водорода (протонами), находящимися друг от друга существенно ближе боровского радиуса , на расстоянии, сравнимом с длиной волны де Бройля электронов. Таким образом, электроны слабо связаны с протонами и формируют свободный электронный газ так же, как в металлах.

Жидкий металлический водород

Жидкий металлический водород образуется при плавлении твердого металлического водорода. В отличие от гелия-4 , жидкого при нормальном давлении и температуре ниже 2,17 K, существование жидкого металлического водорода в таких условиях ставится под сомнение. Энергия нулевых колебаний в массиве плотно упакованных протонов велика, и переход от кристаллической фазы ожидается при высоких давлениях. Исследование максимальной точки плавления на диаграмме состояний водорода, проведенное Н. Ашкрофтом, допускает область давлений около 400 ГПа, при которых водород является жидким металлом при низких температурах . Егором Бабаевым было предсказано что металлический водород может представлять собой новое агрегатное состояние: металлическую сверхтекучую жидкость.

Сверхпроводимость

Металлический водород обладает сверхпроводимостью при температурах, вплоть до комнатной, что гораздо выше, чем в других материалах.

Экспериментальные попытки получения

Ударное сжатие: W. Nellis Предположительно получил металлический водород в экспериментах по ударному сжатию Опыты 2008 и 2011 года. Ударное сжатие. Получение давлением в алмазных наковальнях.

Связь с другими областями физики

Металлический водород может существовать в ядрах планет-гигантов.

Применение

Предлагаются топливные ячейки, использующие отдачу энергии фазового перехода металлического водорода в диэлектрическое состояние при снятии давления.

См. также

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Металлический водород" в других словарях:

Совокупность фаз высокого давления водорода, обладающих металлич. свойствами. Возможность перехода водорода в металлич. фазу была впервые теоретически рассмотрена Ю. Вигнером и X. Б. Хантингтоном в 1935 [I] ^B дальнейшем по мере развития методов… … Физическая энциклопедия

А; м. Химический элемент (H), лёгкий газ без цвета и запаха, образующий в соединении с кислородом воду. ◁ Водородный, ая, ое. В ые соединения. В ые бактерии. В ая бомба (бомба огромной разрушительной силы, взрывное действие которой основано на… … Энциклопедический словарь

Твёрдое агрегатное состояние водорода с температурой плавления −259,2 °C (14,16 К), плотностью 0,08667 г/см³ (при −262 °C). Белая снегоподобная масса, кристаллы гексагональной сингонии, пространственная группа P6/mmc, параметры ячейки a = 0,378… … Википедия

Магнезиум металликум - Magnesium metallicum, Магний металлический - Химический элемент 2 й группы периодической системы Менделеева. Встречается в природе в виде магнезита, доломита, карналлита, бишофита, оливина, каинита. Серебристый металл, при обычной температуре в сухом воздухе не окисляется, с холодной водой… … Справочник по гомеопатии

М

Рис. 1. Диаграмма состояния водорода.

Кристаллическая решетка твердого металлического водорода формируется ядрами водорода (протонами), находящимися друг от друга существенно ближе боровского радиуса, на расстоянии, сравнимом с длиной волны де Бройля электронов. Таким образом, электроны слабо связаны с протонами и формируют свободный электронный газ так же, как в металлах. Металлический водород обладает высокой удельной теплотой фазового перехода.

Водород в металлической фазе содержится в недрах планет-гигантов Юпитера и Сатурна. Согласно современным моделям, на Юпитере водород в молекулярной фазе присутствует только до глубин порядка 0,22 радиуса планеты . На большей глубине водород в смеси с гелием образует жидкую металлическую фазу (рис. 2).

Важность получения металлического водорода связана с тем, что в нём должен сочетаться ряд уникальных свойств. Во-первых, из-за малой массы атомов аномально велика температура Дебая. Как следствие этого, температура сверхпроводящего перехода в твёрдой фазе при давлении порядка давления металлизации должна превышать 200 К, что значительно выше, чем у всех известных сверхпроводников, т.к. они одного порядка.

Во-вторых, металлический водород может существовать в виде квантовой жидкости. Малая масса атомов водорода приводит к большой величине амплитуды нулевых колебаний атомов, благодаря чему даже при Т= 0К может не происходить кристаллизация. В противоположность известным квантовым жидкостям (3 He и 4 He) плавление кристаллического металлического водорода наступает при возрастании давления. Надёжных расчётных данных о структуре и кривой плавления металлической фазы пока нет. Согласно некоторым расчётам, давление, при к-ром происходит плавление при T = 0 К, порядка давления, необходимого для металлизации, т. е. в этом случае твёрдой фазы H может не быть.

При снятии давления и обратном переходе из металлической фазы в диэлектрическую выделяется энергия ~290 МДж/кг, что в несколько раз выше, чем даёт любой известный вид топлива. Перспективы практического использования металлического водорода в качестве аккумулятора энергии зависят от того, какие условия требуются для осуществления метастабильной металлической фазы при частичном снятии внешнего давления и каково её время жизни. Кроме протия 1 H металлизация может происходить в кристаллах дейтерия 2 H и трития 3 H, с той лишь разницей, что квантовые свойства этих кристаллов выражены слабее, а температура сверхпроводящего перехода в них ниже

Металлический водород - возможно, получен в октябре 2011 г. в Институте химии Макса Планка (Max Planck Institute for Chemistry) в Майнце, Германия. Об этом сообщил журнал Nature Materials. Газообразный водород, сжатый под колоссальным давлением, превратился в вещество со свойствами металла. Об этом заявили сотрудники Института химии в Майнце Михаил Еремец (Mikhail Eremets) и Иван Троян (Ivan Troyan). Как отмечает в связи с достижением немецких ученых портал Science News, “даже НАСА хотело бы иметь такое вещество в качестве ракетного топлива, превышающего по мощности все остальные его виды”.

В комментарии для этого издания Михаил Еремец отметил, что “металлический водород считается в физике высоких давлений своего рода Чашей Грааля”. Для того чтобы испытать способность водорода служить проводником электричества, Еремец и Троян сжали газ при комнатной температуре между двумя алмазными наковальнями. По достижении рекордного давления, которое в два с лишним миллиона раз превышало давление земной атмосферы, водород утратил прозрачность и стал светоотражающим. Его электрическое сопротивление, то есть способность препятствовать прохождению электротока, упало при этом до одной тысячной показателя электросопротивления водорода при низких давлениях.

Столь значительное снижение сопротивления говорит о том, что газ превратился в нечто иное. Для того чтобы показать, что его новое качество может быть металлом, исследователи охладили сжатый водород с комнатной температуры до 30 кельвинов. Сопротивление слегка повысилось, но вещество оставалось электропроводным, и такое поведение вполне допустимо для экзотических металлов.

Несмотря на эти результаты, коллеги авторов не уверены в том, что получен именно водородный металл. Как говорит Уильям Неллис (William Nellis) из Гарвардского университета (Harvard University), пытавшийся в свое время сделать электропроводный водород под воздействием ударных волн, “люди и прежде думали, что сделали металлический водород, но впоследствии оказывалось, что они были неправы”. В ответ на критику Еремец заявляет о планах усовершенствовать эксперимент с высоким давлением, а сам факт оспаривания уже полученных результатов его не удивляет: “Водород привлекает такое внимание физиков, что, естественно, здесь будет много эмоций и, конечно, много претензий”

Металлический водород, который находится под давлением порядка четырех с половиной миллионов атмосфер, может иметь наибольшую критическую температуру перехода в ряду высокотемпературных проводников. Согласно предварительным расчетам итало-германской группы ученых физиков-теоретиков, элемента равна 242 К (минус тридцать один градус Цельсия).

Газообразный водород превращается в жидкость при температуре 20 К. Если снизить температуру ещё на 6 К, то можно перевести элемент в твердое состояние. Ханингтон и Вигнер в 1935-м году предположили в лаборатории. По их мнению, необходимо было использовать высокое давление - около 25 Гпа (один Гпа примерно равен десяти тысячам атмосфер). Так, под воздействием высокого давления элемент превратится в изотоп водорода - из диэлектрического элемента в проводящий. Следует отметить, что газ в исходном состоянии обладает проводящими свойствами. Так же, как и металлы, элемент проводит электричество, при этом он может и не находиться в твердом состоянии. Другими словами, водород может представлять собой и жидкость, обладающую

В 1971-м году в свет вышла работа советских ученых-теоретиков во главе с Каганом. Группа физиков доказывала, что металлический водород может являться метастабильным. Это означает, что после прекращения воздействия элемент не перейдет в свое первоначальное состояние - газ, обладающий диэлектрическими свойствами. Вместе с этим до сих пор неясно, будет ли эта стадия достаточно продолжительной для того, чтобы успеть использовать металлический водород.

Первый успех в опытном плане был получен в 1975-м году, в феврале. Группа ученых во главе с Верещагиным создала металлический водород. Под воздействием температуры в 4,2 К в тонком слое элемента при помощи алмазных наковален подвергнутом также воздействию давления порядка 300 Гпа наблюдалось снижение электрического сопротивления газа в миллионы раз. Это свидетельствовало о переходе водорода в металлическое состояние.

Для получения высокого давления применяется алмазная наковальня. Она представлена в виде двух остриями прижимающихся друг к другу при помощи пресса. В итоге на срезе, диаметр которого - порядка нескольких десятых долей миллиметра, образуется необходимое давление. На этом участке в ячейке располагается охлажденный образец. К образцу в этом же месте подводится оборудование: миниатюрные термопары, электроды и прочие измерительные приборы.

Следующим этапом в работе ученых стало выяснение возможности последующего перехода металлического состояния в сверхпроводящее. Первым задался этой проблемой Нейл Эшкрофт. Теоретик предсказал, что у металлического водорода появятся «экзотические» свойства под воздействием высоких температур, превышающих 200 К.

Сравнительно недавно вышла работа немецких и итальянских физиков. Авторы утверждают, что за счет электрон-фононного механизма формирования куперовских пар достигается рекордный показатель критической температуры - 242 К. Вместе с этим, однако, необходимо и воздействие высокого давления - порядка 450 Гпа, а это, в свою очередь, в четыре с половиной миллиона раз превышает атмосферное давление.

При электрон-фононном формировании куперовских пар при движении в периодической решетке в кристалле электрон притягивает ближайшие ионы, заряженные положительно. При этом происходит незначительная деформация решетки, и на короткое время увеличивается концентрация положительного заряда. За счет увеличенной концентрации притягивается другой электрон. Так, притягиваются оба электрона. При ненулевой температуре происходит колебание ионов около своих состояний равновесия. Фононы - это кванты данных колебаний.