Изображение алмазных наковален, сжимающих образец молекулярного водорода. При высоком давлении водород переходит в атомарное состояние, как показано справа. Источник: Dias & Silvera, 2017

В 1935 году ученые Юджин Вигнер и Бэлл Хантингтон предсказали возможность перевода водорода в металлическое состояние под воздействием огромного давления - 250 тысяч атмосфер. Немного позже эта точка зрения была пересмотрена, специалисты повысили оценку давления, которое требуется для фазового перехода. Все это время условия перехода считались достижимыми, и ученые пробовали «взять планку», необходимую для перехода водорода в новую фазу. Впервые металлический водород пытались получить в 1970-х. Повторные попытки были предприняты в 1996, 2008 и 2011 году. Ранее сообщалось, что в 1996 году ученым из Германии удалось на долю микросекунды перевести водород в металлическое состояние, хотя не все согласны с этим.

Что касается давления, необходимого для получения металлического водорода, то с развитием квантовой механики и физики вообще стало понятно, что давление должно быть примерно в 20 раз более высоким, чем считалось ранее - не 25 ГПа, а 400 или даже 500 ГПа. Считается, что большие количества металлического водорода присутствуют в ядрах планет-гигантов - Юпитера, Сатурна и крупных внесолнечных планет. Благодаря гравитационному сжатию под газовым слоем должно находиться ядро из металлического водорода. Понятно, что для того, чтобы получить гигантское давление, нужны особые технологии и методы. Добиться желаемого получилось благодаря использованию двух алмазных наковален.

Прочность наковальни была усилена напылением из оксида алюминия, которое оказалось непроницаемым для атомов водорода. Образец водорода был сжат между заостренными концами двух алмазных наковален и при давлении в 495 ГПа ученые добились перехода образца в металлическую фазу.

Источник: Dias & Silvera, 2017

Во всяком случае, образец сначала потемнел, а затем стал отражать свет. При относительно низких показателях давления образец был непрозрачным, ток он не проводил. Эксперимент, проведенный Исааком Силвера (Isaac Silvera) и Ранга Диас (Ranga Dias), был повторным. Впервые добиться перехода водорода в металлическую фазу ученым удалось в середине 2016 года. Но результаты эксперимента нуждались в подтверждении, повторном опыте. Поскольку результаты изначального опыта подтвердились, их можно считать корректными.

К текущему результату ученые шли несколько лет. Только на то, чтобы достичь давления, при котором водород разбивается на индивидуальные атомы, у Силвера и Диас ушло три года. Давление, о котором идет речь - 380 ГПа.

После этого увеличение давления подразумевало необходимость усиления прочности алмазных наковален, которые использовались в эксперименте. Для этого стали напылять тончайшую пленку из оксида алюминия. Без усиления прочности алмазы, которые являются наиболее твердыми минералами на Земле, начинают разрушаться при увеличении давления выше показателя в 400 ГПа.

Учеными была проделана большая работа по изучению алмазов. Причин разрушения могло быть несколько - от дефектов структуры кристалла до влияния самого сжатого до огромной плотности водорода. Для того, чтобы решить первую проблему, специалисты тщательным образом проверяли структур кристалла под микроскопом с большим увеличением. «Когда мы просмотрели на алмаз под микроскопом, мы обнаружили дефекты, которые делают этот минерал уязвимым к внешним факторам», - заявил Силвера. Вторая проблема была решена при помощи напыления, противодействующего утечке атомов и молекул водорода.

Пока что сложно сказать , какую форму металла получили англичане - твердую или жидкую. Сами они затрудняются сказать, хотя считают, что водород перешел в фазу жидкого металла, поскольку это предсказано расчетами. В чем они уверены, так это в том, что образец водорода после сжатия стал в 15 раз более плотным, чем до начала этой процедуры. Температура водорода, который поместили в алмазную наковальню, составила 15К. После перехода элемента в металлическую фазу его нагрели до 83 К, и он сохранил свои металлические свойства. Расчеты показывают, что металлический водород может быть метастабильным, то есть сохранять свои свойства даже после того, как внешние факторы, которые привели к переходу элемента в металлическую фазу, будут ослаблены.

Зачем человеку металлический водород? Считается, что в таком состоянии он проявляет свойства высокотемпературного сверхпроводника. Кроме того, метастабильные соединения металлического водорода могут использоваться в качестве компактного, эффективного и чистого ракетного топлива. Так, при переходе металлического водорода в молекулярную фазу высвобождается примерно в 20 раз больше энергии, чем при сжигании килограмма смеси кислорода и водорода - 216 Мдж/кг.

«Для получения металлического водорода нам понадобилось огромное количество энергии. А если вы снова переведете атомарный металлический водород в молекулярное состояние, вся эта энергия высвободится, так что мы можем получить самое мощное ракетное топливо в мире, что совершит революцию в ракетостроении», - заявили авторы исследования. По их мнению, новое топливо, при условии его использования, позволит легко достичь других планет. Времени на путешествие к ним будет затрачено гораздо меньше, чем в настоящее время, с использованием современных технологий.

Что мы знаем об окружающем нас мире? Да ничего. Вообще, все окружающие нас материалы подразделяются на три базовых вполне конкретных лагеря. К примеру, для начала возьмем твердый куб воды — лед. После того, как он достигнет определенной температуры, он изо льда превратится в лед. Если продолжить увеличивать температуру, то в конце концов образуется пар.

Иными словами, каждая молекула имеет свою собственную фазовую диаграмму. Эта диаграмма является своеобразной картой того, что стоит ожидать от молекулы в различных условиях, как она себя поведет при изменениях температуры, давления и прочих параметров. Известно, что для каждого элемента диаграмма совершенно уникальна. И все от того, что есть различия в молекулярно-атомной системе. Ведь внутри этой компоновки могут происходить разные процессы.

Интересно другое, когда начинается разговор о водороде, то мы вдруг обнаруживаем, что практически ничего не слышали о его возможностях. Разве что некоторые реакции, связанные с подпиткой этого элемента кислородом. Но даже когда мы берем его в одиночном состоянии, его крайняя «застенчивость» мешает ему взаимодействовать с иными элементами в единственном числе. Дело в том, что водород практически всегда объединяется в молекулу (обычно в виде газа) и только после этого вступает в реакцию.

Если же водород удастся загнать в бутылку и увеличить температуру до тридцати трех кельвинов, что двести сорок градусов по Цельсию, вещество становится жидким. Ну, а при минус четырнадцати — минус двухсот пятидесяти девяти по Цельсию — водород твердеет.

Логически получается, что при повышенной температуре водород должен оставаться газообразным. Но это при условии низкого давления. Если повысить давление при той же высокой температуре, то можно обнаружить очень интересные последствия.

Космическое поведение водорода

Невероятные трансформации водорода происходят в космосе. На Земле их практически невозможно обнаружить. Возьмем, к примеру, Юпитер. И вот тут найденный водород начинает проявлять свои необычные свойства.

Погруженный в глубину под видимую поверхность планеты, привычный водород под высоким давлением начинает уступать место своему собрату — слою газожидкостного сверхкритичного гибрида. То есть условия слишком жаркие, чтобы оставаться в виде жидкости, но при этом слишком высокое давление, чтобы быть газом.

Но это только начало странностей. Если копнуть в более глубокие слои, то можно обнаружить вовсе невероятные превращения вещества. Какое-то время составные части водорода все еще продолжают как бы подпрыгивать. Но при давлении, превышающем земное связи водорода продолжают сжиматься. В результате в области ниже тринадцати тысяч километров под облаками появляется некая хаотичная смесь, в которой присутствую отдельные свободные ядра водорода, которые представляют собой одиночные протоны, смешанные с освобожденными электронами. При высоких температурах и низких давлениях этот состав является плазмой.

Вот только условия Юпитера, предлагающие более высокое давление, провоцирую не образование плазмы, а нечто, похожее на металл. Получается жидкий кристаллический металл.

Ученые пришли к выводу, что ничего странного в металлическом водороде нет. Просто бывают условия, при которых то или иное неметаллическое вещество начинает приобретать свойства металла. Вот только водород — не обычный металл, а урезанный атом — протон. В итоге получается нечто вроде жидкого металла. Протон как бы подвешен в жидкости. И если раньше считалось, что подобное может происходить на карликовых звездах, то сегодня оказалось, что такие свойства вещество может проявлять тут же, по соседству в нашей же системе.

Правообладатель иллюстрации Harvard University Image caption Ранга Диас перед установкой алмазного пресса сверхвысокого давления

Ученые из Гарвардского университета сообщили, что им впервые удалось трансформировать водород в металлообразное состояние.

Если это правда - а на этот счет есть сомнения - такое достижение станет венцом продолжавшихся более 80 лет попыток создать самый экзотический материал в природе.

В теории металлический водород может быть использован для создания проводов с нулевым сопротивлением и новых видов ракетного топлива.

Ученые из Гарвардского университета Ранга Диас и Айзек Силвера опубликовали результаты своих экспериментов в журнале Science.

"Впервые в истории планеты Земля создан твердый металлический водород", - сообщил профессор Силвера корреспонденту Би-би-си.

По словам ученых, им пока удалось получить небольшое количество металлического водорода, но со временем, считают они, могут быть найдены способы увеличения производства этого материала.

Метод заключался в сжатии емкости, содержащей небольшое количество молекулярного водорода, между двумя искусственными алмазами, в условиях экстремально высокого давления и сверхнизкой температуры

Под алмазным прессом им удалось достичь давления в 495 гигапаскалей. Это эквивалентно примерно 5 миллионам атмосфер. Алмазные тиски также охлаждались до температуры минус 270 градусов по Цельсию.

Целью эксперимента было добиться настолько тесного сближения атомов водорода, чтобы они образовали кристаллическую решетку и стали обмениваться электронами, что свойственно металлам.

Авторы статьи пишут, что материал в тисках приобрел блестящую поверхность, что свидетельствовало об изменении его атомной структуры. "Далее с ростом давления материал стал черным, и мы полагаем, что это произошло потому, что он стал полупроводником, способным поглощать свет", - говорит профессор Силвера.

"Затем мы еще более увеличили давление, и материал стал блестящим. Это было очень захватывающее зрелище. Отражательная способность его была чрезвычайно высокой, около 90%. Это примерно равно отражающей способности полированного алюминия", - сказал ученый.

Однако следует отметить, что известие из Гарварда вызвало немало скептических отзывов среди ученых. Среди них есть специалисты, работающие в той же или схожих областях. Они заявляют, что в опубликованной статье содержится слишком мало данных, которые могли бы подтвердить реальность этого достижения.

"Полная ерунда, - заявил Юджин Грегорьянц из Эдинбургского университета. - Как и все, кто работает с водородом под высоким давлением, я поражен тем, что публикуется в журнале Science".

Впрочем, такое сопротивление является естественным. Если открытие подтвердится, оно станет одним из самых выдающихся достижений прикладной физики за последние десятилетия.

Металлическое состояние водорода было предсказано более 80 лет назад, и с тех пор ученые пытаются получить его на практике. Ценность этого материала связана с его поразительными свойствами.

Например, высказываются предположения о метастабильности металлического водорода. Это означает, что даже при возвращении его в условия нормальной температуры и давления он будет сохранять свои свойства.

Некоторые ученые считают также, что он будет сверхпроводящим металлом даже при комнатной температуре, что приведет к революции в области передачи и хранения электроэнергии.

Американское аэрокосмическое агентство НАСА также проявляет интерес к материалу. Уже сейчас жидкий водород используется в качестве весьма энергоемкого ракетного топлива, однако его металлическая форма может стать новым видом топлива, способным создавать гигантскую тягу и выводить на орбиту более массимные грузы.

"Я знаю, что многие специалисты в области высоких давлений высказывают свои сомнения, указывая, что высокая отражательная способность может объясняться присутствием загрязнений в составе алмазов, например, окиси алюминия. Однако если им действительно удалось достичь давления почти в 500 гигапаскалей в алмазном прессе, можно ожидать перехода в металлическое состояние водорода", - заявил исследователь Маркус Кнудсон из Национальных лабораторий Сандии.

С ним в целом согласен Джеффри Макмахон из университета штата Вашингтон.

"Что касается микроскопического количества полученного материала - такого рода эксперименты всегда проводятся в небольших алмазных прессах. Тут предстоит решать две проблемы. Во-первых, попытаться получить одновременно большее количество материала; во-вторых, что будет намного сложнее, убедиться, что материал сохраняет свои свойства после снятия давления", - говорит американский ученый.

"Ответ на второй вопрос остается открытым", - считает он.

МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ВОДОРОД

МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ВОДОРОД

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 электронной теории металлов ур-ние металлич. фаз водорода исследовалось теоретически. На рис. 1 приведена , полученная путём синтеза результатов этих расчётов с эксперим. и теоретич. данными по ур-нию состояния молекулярного водорода . При атм. давлении и низких темп-pax водород существует в виде диэлектрич. молекулярного кристалла, при повышении давления происходит переход в кри-сталлич. металлич. состояние. При этом в зависимости от темп-ры возможны 3 фазы M. в. При темп-ре T = 0 К и давлении r = 300-100 ГПа металлизация сопровождается перестройкой кристаллич. структуры, диссоциацией молекул H 2 и металлич. кристалл становится атомарным . При T > 10 К возможна металлизация с сохранением структуры молекулярного кристалла (пунктир; металлизация такого типа ранее наблюдалась в иоде). При дальнейшем повышении давления или темп-ры наступает металлич. фазы и образуется жидкий атомарный M. в.

Рис. I. Диаграмма состояния водорода.

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

Сообщалось о получении M. в. в экспериментах по ударному сжатию и по сжатию в алмазных наковальнях , однако надёжных эксперим. данных о давлении перехода и ур-нии металлич. фазы пока нет.

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

Во-вторых, M. в. может существовать в виде квантовой жидкости. Малая атомов водорода приводит к большой величине амплитуды нулевых колебаний атомов, благодаря чему даже при T = 0 К может не происходить . В противоположность известным квантовым жидкостям (3 He и 4 He) плавление кристаллич. M. в. наступает при возрастании давления. Надёжных расчётных данных о структуре и кривой плавления металлич. фазы пока нет. Согласно нек-рым расчётам, 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 металлич. фазы в диэлектрическую выделяется ~290 МДж/кг, что в неск. раз выше, чем даёт любой известный вид топлива. Перспективы практич. использования M. в. в качестве аккумулятора энергии зависят от того, какие условия требуются для осуществления метастабильной металлич. фазы при частичном снятии внеш. давления и каково её . 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 темп-pa сверхпроводящего перехода Т с в них ниже.

Лит.: 1) Wignе г E., Hиntingtоn H. В., On the possibility of a metallic modification of hydrogen, "J. Chem. Phys.", 1935, v. 3, p. 746; 2) Stevensоn D. J., Interiors of giant planets, "Ann. Rev. Earth Planet. Sci.", 1982, v. 10, p. 257; 3) Каган Ю.,Пушкарев В., Xолас А., Уравнение состояния металлической фазы водорода, "ШЭТФ", 1977, т. 73, с. 967; 4) Ж а р к о в В. H., Внутреннее строение Земли и планет, 2 изд., M., 1983, гл. 10; 5) Григорьев Ф. В. и др., Экспериментальное определение сжимаемости водорода при плотностях 0,5+ 2 г/см 3 , "Письма в ЖЭТФ", 1972, т. 16, с. 286; 6) Ross M., Matter under extreme conditions of temperature and pressure, "Repts Progr. Phys.", 1985, v. 48, p. 1; 7) Min B. I., Jansen H. J. F., Freeman A., Structural properties superconductivity and magnetism of metallic hydrogen, "Phys. Rev. B", 1984, V. 30, № 9, p. 5076. В. В. Авилов.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Смотреть что такое "МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ВОДОРОД" в других словарях:

Эта статья содержит незавершённый перевод с английского языка. Вы можете помочь проекту, переведя её до конца … Википедия

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

У этого термина существуют и другие значения, см. Юпитер (значения). Юпитер … Википедия

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.