При крайне высоких давлениях водород претерпевает фазовый переход. После этого коллективы атомов вещества начинают проявлять металлические свойства. Они обладают высокой удельной теплотой фазового перехода и высокотемпературной сверхпроводимостью.

Создание металлического водорода было теоретически предсказано в 1996 году

Доктор физико-математических наук Валентин Рыжов пояснил сайт, почему к открытию приковано такое внимание:

Это некий принципиальный момент, связанный с обоснованием методов, которые описывают состояние материи. Металлический водород – практически идеальный металл. Во-вторых, еще в 70-х установили, что металлический водород теоретически метастабилен, должен терять проводимость и проводить ток без сопротивления. Тогда же, в разгар гонки вооружений, возникла тема нового оружия. Речь шла о нейтронной бомбе. Металлический водород был бы идеальной защитой от такого оружия – им собирались даже танки покрывать. Все это подхлестывало интерес, выделялись деньги на исследования.

Валентин Рыжов

Сотрудники Ливерморской национальной лаборатории в 1996 году заявили, что получили свидетельства его возможного получения. Предположительно, металлический водород просуществовал в течение 1 микросекунды. Однако явления фазового перехода специалисты тогда не наблюдали, да и опыт ставили не с целью получить металлический водород, а чтобы исследовать свойства образца под давлением 100 ГПа.

Первый на планете

Физики Гарвардского университета профессор естественных наук Томас Д. Кабот, Исаак Сильвера и сотрудник докторантуры Ранга Диас как раз наблюдали явление фазового перехода, которое свидетельствует о получении металлического водорода. Атомарный водород из жидкой фазы перешел в твердую при давлении до 495 ГПа температуре 5,5 К в алмазной наковальне - между остриями искусственных алмазов.

Водород из состояния прозрачного, как стекло, преобразовался в состояние блестящего металла, подобно меди или золоту отражающего свет. Переход в твердую фазу подтвердил спектроскопический анализ.

Сильвера прогнозирует, что после снятия давления металлический водород в новых экспериментах будет оставаться метастабильным. Аналогичным образом алмазы образуются из графита.

Необходимо огромное количество энергии, чтобы сделать металлический водород. И если вы преобразуете его обратно в молекулярный водород, энергия высвобождается, так что это сделало бы его самым мощным ракетным топливом, известным человеку, и может революционизировать ракетную отрасль.

Кроме того, металлический водород может быть использован как сверхпроводник.

Впрочем, эксперты отмечают, что прямых экспериментальных свидетельств существования металлического водорода физики не получили. Предположительно металлический водород существует между ядром и атмосферой Сатурна и Юпитера. Однако и это пока не доказано.

Эксперименты по его обнаружению ставились и в нашем институте. Но результатов, которые заслуживали бы доверия, не получилось. Это очень сложно, когда сам размер образца – одна сотая миллиметра. Более того: до сегодняшнего момента об обнаружении металлического водорода заявляли неоднократно. Но после всегда находились контрдоводы. Если сейчас окажется, что результаты верны (а это вполне возможно, так как тонкость эксперимента невероятна), то это открытие действительно уровня Нобелевской премии.

Валентин Рыжов

Заместитель директора Института физики высоких давлений РАН, доктор физико-математических наук

Фотографии твердого водорода при давлении 2,05 миллиона атмосфер (a, образец прозрачный и свет проходит сквозь него), 4,15 миллиона атмосфер (b, образец непрозрачный, не отражает свет), 4,95 миллиона атмосфер (с, образец непрозрачный, отражает свет).

Физики из Гарвардского университета впервые синтезировали металлический водород. Чтобы добиться этого, ученые сжали водород в алмазной наковальне под давлением почти в 5 миллионов атмосфер и охладили до 5,5 кельвина. Теоретики предсказывают , что материал может оказаться комнатнотемпературным сверхпроводником, а также обладать рядом других необычных свойств. Независимые эксперты подвергают открытие сомнению. Исследование опубликовано в журнале Science (препринт работы), его обзор приводит журнал Nature .

Водород - самый распространенный элемент во Вселенной. В обычных условиях он существует в виде бесцветного газа, каждая частица которого состоит из двух атомов водорода. Если сжать обычный водород давлениями в тысячи атмосфер, то можно получить его сначала в жидком, а потом и в твердом виде - прозрачного, не проводящего электричество материала. В 1935 году физики Вигнер и Хантингтон теоретически предсказали , что дополнительно увеличив давление можно заставить водород перейти в металлическое состояние.

Этот материал привлек к себе внимание экспериментаторов благодаря своим необычным свойствам - с одной стороны, теоретики предсказывают ему сверхпроводимость при температурах близких к комнатной. С другой стороны, в виде металлической фазы водород запасает огромную энергию и его удобно хранить - это свойство важно для ракетостроения. Попытки синтеза материала начались во второй половине XX века, но до сих пор нельзя с уверенностью сказать, что он был получен.

Фазовая диаграмма водорода. Твердый металлический водород внизу справа.

Ranga P. Dias, Isaac F. Silvera / Science, 2017

Одна из важных проблем синтеза металлического водорода - высокие давления, необходимые для фазового перехода. Вигнер и Хантингтон предсказали, что молекулярный двухатомный водород должен превращаться в металлический одноатомный водород при давлениях около 250 тысяч атмосфер и низких температурах. Это примерно в 250 раз больше, чем давление на дне Марианской впадины. Однако эксперименты показали, что эта оценка не соответствует действительности. Современные исследования предсказывают величину давления фазового перехода в 4-5 миллионов атмосфер - это эквивалентно давлению, которое оказывает объект с массой слона, стоящий на игле с площадью поверхности острия меньше квадратного миллиметра.

Авторы новой работы утверждают, что смогли синтезировать твердый металлический водород с помощью алмазной наковальни, создававшей давление в 4,95 миллиона атмосфер в охлаждаемой жидким гелием ячейке. Этот прибор представляет собой пару высококачественных алмазов, с плоскими отшлифованными гранями наковальни. Их сжимают, вкручивая длинные стальные винты.

Схема эксперимента

R. Dias and I.F. Silvera

Ранее гарвардский коллектив ученых уже предпринимал попытки синтеза металлического водорода - в ходе экспериментов физики выяснили несколько проблем, осложняющих достижение больших давлений. В первую очередь водород способен проникать в алмаз и делать его более хрупким. С ростом давлений это приводит к разрушению «наковальни». Во-вторых, лазерное излучение, используемое для мониторинга состояния ячейки, также может привести к разрушению алмаза (например, инфракрасное излучение способно превратить алмаз в графит). Чтобы избежать этих сложностей авторы модифицировали традиционный эксперимент.

Физики покрыли алмазные поверхности аморфным оксидом алюминия (толщиной 50 нанометров), для предотвращения диффузии водорода. Кроме того, использование лазерного излучения в эксперименте было минимизировано - оценка давлений делалась на основе количества оборотов винта.

Ученые следили за изменениями в образце с помощью микроскопа. При двух миллионах атмосфер водород был прозрачным твердым веществом. При 4,15 миллиона атмосфер образец потемнел и перестал пропускать свет. При давлении 4,95 миллиона атмосфер авторы обнаружили, что образец стал красноватым и начал хорошо отражать свет. Из спектральных данных физики определили, что в твердом водороде возникла большая концентрация свободных носителей заряда (7,7±1,1×10 23 частиц на кубический сантиметр) - в десятки раз больше чем у лития, натрия или калия (щелочных металлов). По словам ученых, это подтверждает металлическую природу материала.

Независимые эксперты, также участвующие в «гонке» синтеза металлического водорода, сомневаются в надежности работы. Во-первых, эксперимент по синтезу металлического водорода был поставлен лишь один раз и не воспроизводился. Во-вторых, свою роль могло сыграть покрытие из оксида алюминия - нет уверенности, что материал не восстановился до металлического алюминия. Евгений Грегорянц, год назад фазу-предшественник металлического водорода, также отмечает, что детальные измерения состояния ячейки были сделаны лишь при пиковых значениях давлений. На их основании нельзя надежно судить о достигнутом давлении, как и на основе количества оборотов винта.

Убедить экспертов может повторение эксперимента и дополнительные тесты. По словам Айзека Сильвера, соавтора работы, решение опубликовать статью с ограниченным количеством подтверждающих тестов было связано с тем, что образец может разрушиться при дальнейшей работе с ним. Сейчас, когда исследование опубликовано, физики планируют провести анализ рамановского рассеяния на металлическом водороде и другие тесты.

Это не первое заявление ученых о синтезе металлического водорода. В июле 2016 года группа исследователей под руководством Айзека Сильвера о синтезе жидкого металлического водорода (и также подверглась критике). В 2011 году о синтезе материала заявляли Михаил Еремец и Иван Троян из Химического института общества Макса Планка, однако, по словам химиков, надежных подтверждений до сих пор получено не было. Считается, что встретить жидкий металлический водород можно, например, в недрах Юпитера.

Владимир Королёв

Металлический водород состоит из сильно сжатых ядер . В природе вещество встречается внутри газовых гигантов и звезд. Водород находится на первой позиции группы щелочных металлов в Периодической таблице Менделеева. В связи с этим ученые предполагали, что он может обладать ярко выраженными металлическими свойствами. Однако это теоретически возможно только при экстремальных давлениях. Атомные ядра металлического водорода находятся так близко друг к другу, что они разделены только плотной электронной жидкостью, протекающей между ними. Это значительно меньше плотности нейтрония – теоретически существующего вещества с бесконечной плотностью. В металлическом водороде электроны сливаются с протонами, чтобы образовать новый тип частиц - нейтроны. Как и все металлы, материал способен проводить электричество. Именно при подаче тока измеряют степень металлизации такого вещества.

История получения

Этот материал был впервые синтезирован в лабораторных условиях совсем недавно - в 1996 году. Это произошло в Ливерморской национальной лаборатории. Время существования металлического водорода было очень недолгим – около одной микросекунды. Потребовались температура около тысячи градусов и давление свыше миллиона атмосфер, чтобы добиться такого эффекта. Это стало полной неожиданностью для самих экспериментаторов, так как ранее считалось, что для получения металлического водорода требуется очень низкая температура. В предыдущих экспериментах твердый водород подвергался давлению до 2500000 атмосфер. При этом заметная металлизация отсутствовала. Эксперимент по сжатию горячего водорода был произведен только для того, чтобы измерить различные свойства материала при этих условиях, а не с целью получения металлического водорода. Тем не менее, он увенчался полным успехом.

Хотя металлический водород, произведенный в Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора, и был в твердом агрегатном состоянии, появилась теория, что это вещество можно получить и в жидком виде. С помощью расчетов было установлено, что такой материал может быть сверхпроводником при комнатной температуре, хотя это свойство пока неприменимо для практических целей, так как расходы на создание давления в миллион атмосфер гораздо выше, чем количество полученного материала в денежном эквиваленте. Однако есть небольшая вероятность того, что метастабильный металлический водород может существовать в природе. По предположениям специалистов он сохраняет свои параметры даже при отсутствии давления.

Считается, что металлический водород существует в ядрах крупных газовых гигантов в нашей . К ним относятся Юпитер и Сатурн, а также водородная оболочка вблизи ядра Солнца

Экология потребления.Наука и техника: Новый материал может совершить революцию в ракетостроении и сверхпроводниковой отрасли, однако пока он получен лишь в очень малом количестве.

Исследователи из Гарвардского университета (США) впервые смогли получить в лаборатории металлический водород при низких температурах. Для этого им пришлось создать давление, выше, чем в центре Земли. Хотя металлический водород был предсказан почти столетие тому назад, исключительные трудности на пути получения этого материала долгое время делали его получение в твердой форме недостижимой мечтой.

Теоретики ещё в первой половине XX века показали, что обычный водород, существующий в виде двухатомных молекул, при росте давления постепенно потеряет молекулярную структуру. Его молекулы просто развалятся, образовав гораздо более плотно упакованный атомарный водород в твёрдой фазе.

Этот материал, широко распространённый в недрах Юпитера, обладает рядом уникальных свойств, которые делают его крайне многообещающим. По расчётам, он должен быть хорошим проводником - возможно, даже сверхпроводником. А, например, при плавлении металлического водорода должно выделяться в 21 раз больше энергии, чем при сжигании килограмма того же водорода в кислороде. В теории это делает его отличным ракетным топливом, на базе которого можно строить одноступенчатые ракеты и выводить в космос большую полезную нагрузку на ракете умеренных размеров.

Но, чтобы сделать всё это, нужно сперва получить такой водород. На протяжении длительного времени создать нужное для его получения давление удавалось только с помощью алмазных наковален с лазерным нагревом и уплотнением. Температура в таких наковальнях часто измерялась тысячами градусов - даже получив в них металлический водород, исследователи через миллисекунду тут же его теряли. Замерить его металлические свойства при низкой температуре достоверно не удавалось.

В этот раз учёные оптимизировали алмазную наковальню таким образом, чтобы получить металлический водород именно при малых температурах. Наковальня состоит из двух синтетических алмазов конической формы. Чтобы убрать дефекты в алмазах (избежать растрескивания при росте давления), их отполировали алмазной крошкой. Кроме того, их покрыли слоем глинозёма. С его помощью удалось блокировать диффузию водорода при высоких давлениях внутрь алмазов наковальни.

Диффундирующий водород быстро создаёт в алмазах дефекты, делающие их хрупкими, и дальнейшее сжатие водорода приводит к их разрушению. После модификации ячейку с алмазной наковальней использовали для получения металлического водорода при температуре 5,5 кельвина и давлении в 495 гигапаскалей. Это почти в пять миллионов раз выше атмосферного. 5,5 кельвина - рекордно низкая температура для такого давления. Спектроскопический анализ показал, что водород в новом материале находится в атомарном состоянии, а его плотность соответствует металлическому водороду.

Пока водород удалось получить в очень малых количествах, с помощью которых достоверно удалось прояснить лишь наличие у него свойств металла и высокой отражательный способности - он отражал порядка 0,91 от падавшего на него электромагнитного излучения. Однако в будущем исследователи надеются добиться получения достаточно больших количеств этого материала. В значимых количествах он должен быть метастабилен, как алмаз. Это значит, что хотя для его получения и требуется очень большое давление, однажды возникнув металлический водород остается стабильным даже в обычных условиях - при комнатной температуре и атмосферном давлении. Связано это с тем, что энергия, требующаяся для разрушения связей в таком материале столь велика, что в нормальных условиях такой переход не случится.

Ряд работ предсказываю т у металлического водорода сверхпроводимость при комнатной температуре. На сегодня таких сверхпроводников получить ещё не удалось.

Металлический водород при получении требует больших затрат энергии, и при его переходе в фазу газообразного (обычного) водорода эта энергия быстро высвобождается. В случае его применения в ракетных двигателях он может дать удельный импульс в 1700 секунд. Современные лучшие виды ракетного топлива дают цифры в районе 400 секунд. К тому же металлический водород в силу его метастабильности не потребует криогенных баков и не будет быстро утекать через их стенки в космосе (это ограничивает использование жидкого водорода в ракетах). С таким твёрдым топливом в теории можно создать одноступенчатые ракеты большой грузоподъёмности при умеренных затратах. В NASA его рассматривают как фактор, способный резко изменить расстановку сил в космической индустрии. Проверить, так это или нет возможно только на практике - после улучшения существующих методов его наработки. опубликовано

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.