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.
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
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.
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.
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
