Водород должен быть металлом

Водород должен быть металлом

Предварительные расчеты итало-немецкой группы физиков-теоретиков показывают, что металлический водород, находящийся под давлением около 4,5 млн атмосфер, может обладать наибольшей среди высокотемпературных сверхпроводников критической температурой перехода, равной 242 К (–31 градус Цельсия).

Температура, при которой газообразный водород становится жидкостью, составляет 20 К. Перевести жидкий водород в твердое состояние можно, понизив температуру еще на 6 К. В 1935 году Юджин Вигнер и Хиллард Хантингтон опубликовали статью, в которой они первыми предположили, что при высоких давлениях водород из газа с диэлектрическими свойствами должен превратиться в проводящий металл.

Превращение, по мнению авторов, будет происходить при давлении примерно 25 ГПа (1 ГПа равен приблизительно 10 тыс. атмосфер). (Отметим, что водород проявляет металлические свойства — например, хорошо проводит электрический ток — не обязательно находясь именно в твердом агрегатном состоянии. Иными словами, водород может быть и жидкостью с металлическими свойствами — эдакий жидкий металл.

)

Экзотика на этом не закончилась, и в 1971 году появилась работа советских теоретиков во главе с Юрием Каганом, которые доказывали, что металлический водород может оказаться метастабильным.

Слово «метастабильный» означает, что после снятия высокого давления водород не превратится снова в газ с диэлектрическими, непроводящими свойствами, а будет оставаться металлом.

Однако всё еще неизвестно, будет ли время существования такой метастабильной фазы достаточным, чтобы попытаться измерить ее свойства и успеть применить.

В экспериментальном плане первый успех, связанный с водородом, был достигнут, когда в феврале 1975 года группа ученых под руководством Леонида Верещагина из Института физики высоких давлений СССР получил водород в металлическом состоянии.

При температуре 4,2 К (температура кипения гелия) в тонком слое водорода, подвергнутым с помощью алмазных наковален давлению около 300 ГПа, ученые наблюдали уменьшение электрического сопротивления водорода в несколько миллионов раз, что служило свидетельством перехода в металлическое состояние.

Алмазная наковальня, использующаяся для получения высоких давлений, представляет собой два искусственных алмаза, которые прижимаются друг к другу остриями с помощью пресса. В результате на срезе диаметром всего несколько десятых долей миллиметра достигается необходимое давление.

В этом месте в ячейке микрометрового размера находится охлажденный образец. Часто эксперименты делаются с образцами в виде тонких пленок, толщиной до 1 мкм. В том же месте к образцу подводятся миниатюрные измерительные приборы: термопары, электроды и другое необходимое оборудование.

Возникает вопрос: если водород может стать металлическим, то возможен ли дальнейший переход такого состояния в сверхпроводящее? Будет ли металлический водород сверхпроводником? Первым, кто задался таким вопросом, был Нейл Эшкрофт, который в 1968 году (спустя 11 лет после объяснения явления сверхпроводимости), используя теорию БКШ, предсказал, что металлический водород будет обладать экзотическими свойствами, в частности сверхпроводимостью, при высокой температуре, превышающей 200 К.

И вот недавно вышла совместная работа итальянских и немецких физиков-теоретиков Ab Initio Description of High-Temperature Superconductivity in Dense Molecular Hydrogen, в которой утверждается, что, благодаря электрон-фононному механизму образования куперовских пар, критическая температура перехода Tc молекулярного водорода из металлического в сверхпроводящее состояние может достигать рекордного на данный момент значения 242 К. Правда, при этом должно быть огромное давление — 450 ГПа, что приблизительно в 4,5 млн раз больше земного атмосферного давления.

Как происходит электрон-фононное образование куперовских пар? Электрон при перемещении в периодической решетке кристалла притягивает ближайшие положительно заряженные ионы, слегка деформируя решетку и образуя кратковременное увеличение концентрации положительного заряда (см. рис. 1).

Эта увеличенная концентрация положительного заряда притягивает другой электрон. Таким образом, эти оба электрона посредством кристаллической решетки притягиваются. Ионы при ненулевой температуре совершают колебания около своих положений равновесия.

Кванты таких колебаний называются фононами.

Под электрон-фононным взаимодействием подразумевается сложный процесс взаимодействия электронов с движущейся (колеблющейся) кристаллической решеткой. Когда электрон-фононное взаимодействие превысит кулоновское отталкивание двух электронов, то эти два электрона могут образовать куперовскую пару.

Если температура равна нулю, свободный электрон, перемещаясь по кристаллу и возбуждая колебания решетки, может излучить фонон, который будет поглощен другим электроном.

В этом случае, как говорят физики, происходит акт электрон-фононного взаимодействия электронов, а значит, электроны могут объединиться в куперовскую пару.

Водород должен быть металлом

Численно охарактеризовать электрон-фононное взаимодействие можно специальной константой, которую обозначают греческой буквой λ и называют константой электрон-фононного взаимодействия.

В теории БКШ она, наряду с температурой Дебая, определяет Tc данного конкретного сверхпроводника. Чем больше значение λ, тем сильнее электрон-фононное взаимодействие и тем выше критическая температура.

В подавляющем большинстве сверхпроводников значение λ не превышает единицу.

Однако не надо представлять себе куперовскую пару как некую «двухэлектронную молекулу» — размер этой пары в «обычных», не высокотемпературных сверхпроводниках составляет порядка 1/10 микрометра и превышает во много раз межатомные расстояния в кристалле (в ВТСП этот размер — около 1–10 нм).

Чтобы разорвать куперовскую пару на два отдельных электрона при T = 0, необходимо затратить энергию, равную 2Δ.

Δ (так называемая сверхпроводящая энергетическая щель) — еще одна важная характеристика не только в теории БКШ, но и во всей теории сверхпроводимости. Δ зависит от температуры (рис.

 2) и при T = Tc зануляется, что легко понять — в этот момент сверхпроводимость разрушается и для разрыва куперовской пары нет надобности затрачивать энергию.

Водород должен быть металлом

  • Еще несколько важных замечаний. Теория БКШ справедлива при выполнении следующих допущений: 1) значение константы электрон-фононного взаимодействия значительно меньше 1;
    2) сверхпроводники — чистые (без примесей) и бездефектные металлы со строгой периодичностью кристаллической решетки;
  • 3) сверхпроводник изотропен (то есть его физические свойства одинаковы по всем направлениям).
  • В случае, когда эти условия не выполняются, работает модель БКШ с поправками Элиашберга (концепция Элиашберга), основные положения которой и были использованы в обсуждаемой статье о сверхпроводимости металлического водорода.

Авторам работы удалось рассчитать, как зависит константа электрон-фононного взаимодействия от приложенного к металлическому водороду давления (рис. 3).

Водород должен быть металлом

Из графика видно, что λ превышает единицу и достигает максимума при давлении 450 ГПа. Максимальное значение константы электрон-фононного взаимодействия, очевидно, соответствует максимальному значению критической температуры, равной 242 К. Последующие теоретические исследования показали, что дальнейшее увеличение давления не приводит к возрастанию критической температуры (рис. 4).

Интересно, что в этой же работе авторы предполагают при не очень больших давлениях наличие трех (!) немаленьких по своему значению энергетических щелей в сверхпроводящем водороде (в сравнении с аналогичной величиной в «обычных», низкотемпературных сверхпроводниках).

Это означает присутствие трех «сортов» куперовских пар, то есть имеет место трёхщелевая сверхпроводимость. В рамках данной работы удалось также посчитать, как зависят эти три энергетических щели от температуры (рис. 5).

Видно, что их поведение похоже на аналогичную зависимость Δ(T) в теории БКШ.

Более того, как показали расчеты авторов, две меньшие энергетические щели должны проявлять сильную анизотропию своих численных значений (на графике размазанная желтая и синяя область). Грубо говоря, анизотропия энергетических щелей здесь означает зависимость их численного значения от направления движения куперовских пар в сверхпроводящем водороде.

Водород должен быть металлом

В принципе, неоднощелевая сверхпроводимость уже не является чем-то экзотическим с 2001 года, когда было открыто наличие двух щелей в сверхпроводящем MgB2.

Кроме того, как выяснилось позже, диборид магния обладает еще и наивысшей среди сверхпроводников с электрон-фононным механизмом образования куперовских пар критической температурой (39 К).

Однако, похоже на то, что «лидерство» в экзотической сверхпроводимости перехватил металлический водород со своей трёхщелевой сверхпроводимость и с самой высокой Tc  = 242 К. Остается лишь ожидать экспериментального подтверждения или опровержения результатов данной работы.

Источник: P. Cudazzo, G. Profeta, A. Sanna, A. Floris, A. Continenza, S. Massidda, E. K. U. Gross. Ab Initio Description of High-Temperature Superconductivity in Dense Molecular Hydrogen // Physical Review Letters, 100, 257001 (2008).

Юрий Ерин

Невозможный металл: Что такое металлический водород

Проблема получения металлического водорода заключается в том, что изучать поведение этого вещества при низких температурах и высоких давлениях оказалось непростой задачей. К тому же при высоких давлениях водород способен растворяться в металлах и буквально встраиваться в атомарную структуру сжимающих объектов.

В настоящее время высокие давления получают с помощью сжатия вещества в алмазной наковальне.

­Конечно, никаких кувалд там нет — ­на­оборот, их устройство напоминает об искусстве лесковского Левши, только объекты здесь в тысячи раз меньше, чем блошиная подковка.

Достаточно сказать, что типичный объём материалов составляет 1 кубический микрон. Установка представляет собой два огранённых искусственных алмаза, соприкасающихся остриями.

Если сжать алмазы с помощью пресса, то в месте их контакта достигается давление, часто превышающее предсказанные Вигнером 250 тыс. атмосфер. Сегодня исследователи уверенно работают с давлениями до 2 млн атмосфер, а рекорд вообще составил 3,75 млн!

За счёт высокой твёрдости алмазных кристаллов в небольшом объёме можно получить давление более 500 ГПа, что в полтора раза больше давления в центре Земли. Прозрачность алмазов позволяет с помощью электромагнитного ­излучения исследовать сжимаемое вещество.

Водород должен быть металлом

Образец водорода был сжат между двумя алмазными наковальнями при давлении в 495 ГПа. Образец сначала потемнел, а затем стал отражать свет

Основные затраты при изготовлении алмазных наковален приходятся на обработку наконечников кристаллов.

Читайте также:  Особенности выбора болгарки: как выбрать по рабочим параметрам, рейтинг популярных моделей

Вершины бриллиантов — не просто конусы, а плоские площадки-калетты размером в несколько десятков микрон (обычно для давлений до 200 атмосфер используются наковальни с диаметром калетты 0,6–0,8 мм, до 1000 атмосфер — 0,1–0,2 мм). Калетты имеют металлическую подложку, наносимую литографским способом.

Для работы с жидкими и газообразными субстанциями наковальни снабжают так называемыми гаскетами — отверстиями в тонкой металлической пластине, проложенной между калеттами. В гаскетах можно сжимать несколько кубических микрон образца.

Опыты на алмазных наковальнях показали, что при давлениях до 2 млн атмосфер водород может существовать по крайней мере в трёх квазиметаллических фазах, оставаясь при этом диэлектриком. Качественный переход возможен при достижении 4–4,5 млн атмосфер: охлаждённый почти до абсолютного нуля, водород должен стать сверхпроводником.

В январе 2017 года учёные Гарвардского университета Айзек Сильвера и Ранга Диас сообщили в журнале Science, что им удалось получить металлический водород в алмазных тисках при давлении в 5 млн атмосфер.

Однако при попытке извлечь его один из алмазов рассыпался, а сам образец безвозвратно исчез.

По утверждениям учёных, при сжатии водород в камере из прозрачного превратился в непрозрачный, что свидетельствует о переходе в металлическое состояние.

Сегодня 80% мировой энергетики работает на угле­водородном топливе: нефти, газе и угле. Их пагубное воздействие на окружающую среду и низкая эффективность заставляют учёных искать альтернативы.

Соединения металлического водорода представляют собой компактное, эффективное и чистое топливо. При переходе его в обычную, молекулярную фазу высвобождается в 80 раз больше энергии, чем при сжигании угля, а продуктом горения является вода.

К тому же водорода в природе очень много — 17 из каждых 100 атомов земной коры.

Возможно, эта сверхзадача будет решена на крупнейшем в мире источнике рентгеновского излучения Sandia Z-machine, создающем экстремальные температуры и давления.

Теоретически эта установка способна развивать кратковременное (порядка нескольких микросекунд) давление до 20 млн атмосфер.

Во всяком случае, отметка «15 млн» уже пройдена научными группами из Ливерморской национальной лаборатории (США), НИИЭФ и Института проблем химической физики РАН (Россия).

А единичные результаты, полученные в период с 2014 по 2018 год физиками из коллаборации университетов Эдинбурга, Рочестера, Вашингтона, Беркли и французского Комиссариата по альтернативной и атомной энергии, показали, что при больших давлениях водород способен из жидкого ди­электрика кратковременно превращаться в жидкий металл — при температурах порядка 2000°С.

Sandia Z-machine — экспериментальная установка, предназначенная для исследования вещества в условиях экстремальных температур и давлений.

Водород должен быть металлом

  1. Заряженные электрические конденсаторы хранят и при необходимости высвобождают заряды. Конденсаторы преобразуют электричество в сжатые импульсы, ­которые передаются в контейнеры с газом.
  2. Газ ионизируется с помощью лазеров, дополнительно сжимая импульсы и сокращая время ионизации.
  3. Энергия рентгеновского излучения, генерируемая магнитно-импульсной плазмой в течение нескольких наносекунд, намного больше, чем вся энергия, выделяемая всеми электростанциями в мире.
  4. Электричество перетекает в тонкий массив вольфрамовых проводов, сгруппированных в центральном отсеке размером с катушку ниток.

Но по-настоящему стабильный металлический водород — крепкий орешек, который ещё не скоро удастся расколоть (если говорить не о микрограммах, регулярно получаемых в лабораториях, а о сколько-нибудь объёмном производстве). Сейчас, в период сравнительно дешёвой нефти, водородное супертопливо потеряло актуальность. На время. Но оно обязательно придёт…

После 80 лет поисков ученые окончательно получили металлический водород

После 80-летних безуспешных поисков физикам, наконец, достоверно удалось получить металлический водород. Именно в такой форме он существует в недрах гигантских планет – и может использоваться в технологиях будущего.

Водород должен быть металлом

Исаак Силвера (Isaac Silvera) и Ранга Диас (Ranga Dias) из Гарвардского университета использовали алмазные наковальни, создав сверхвысокое давление, превышающее давление в центре Земли.

Это позволило сблизить атомы водорода в образце настолько тесно, что их электроны «обобществились» и стали двигаться по свободным траекториям, обеспечивая электропроводность и другие свойства металлов.

О долгожданном событии авторы рассказывают в статье, опубликованной журналом Science.

Еще в 1935 г. физик и теоретик, будущий лауреат Нобелевской премии Юджин Вигнер предсказал, что при давлении выше 25 ГПа (250 тыс. атмосфер) молекулярный водород должен совершать фазовый переход и становиться металлическим. Такое давление в сотни раз выше, чем на дне Бездны Челленджера в Тихом океане, так что воспроизвести нужные условия долгое время не было никаких возможностей.

Более того, по мере развития физики и квантовой механики стало ясно, что металлический водород требует еще более высоких давлений: 400–500 ГПа, выше, чем в центре Земли.

За последние 20 лет было сделано несколько сообщений о его получении в лаборатории, но данные экспериментов оказались не слишком надежными и не раз подвергались критике. Летом 2016 г.

Исаак Силвера и его коллеги добились нужного перехода – но всего на доли секунды – и намерены были подтвердить достижение еще раз.

В новых экспериментах команде Силверы удалось получить давление 495 ГПа, сжав образец между заостренными и тщательно обработанными концами пары искусственных алмазов.

Дополнительную прочность этой «наковальне» придало напыление из оксида алюминия, непроницаемого даже для мельчайших атомов водорода.

Ученые зафиксировали, что при сравнительно низких давлениях образец водорода оставался прозрачным (и непроводящим), затем потемнел, а при 495 ГПа стал блестящим, отражая свет, как самый настоящий металл.

Водород должен быть металлом

Металлический водород интересует ученых с самых разных сторон. Его крайне интересно изучить, поскольку именно в этой форме водород существует в недрах крупных небесных тел, таких как Юпитер.

Но он же может найти применение и на Земле – в качестве компонента нового поколения ракетного топлива и просто электроники.

Теория предсказывает, что металлический водород должен быть высокотемпературным сверхпроводником, за которым так давно охотятся физики.

Более того, согласно некоторым моделям, металлический водород можно будет использовать в самых обычных условиях. Предполагается, что огромное давление требуется лишь для его образования, а впоследствии он сохранит это состояние даже при комнатной температуре и давлении в одну атмосферу. Выяснить это мы можем уже довольно скоро.

Источник

Статья в Science

Твердый водород и нетвердые доказательства

Химия и науки о материалахДействительно ли физики из Гарварда получили металлический водород

Гарвардские физики заявили, что получили в лабораторных условиях твердый металлический водород. Является ли это важнейшим прорывом в науке или ученые просто выдали желаемый результат за действительный? Есть ли основания сомневаться в открытии, или скептики просто завидуют? Indicator.Ru выясняет вместе с профессором РАН, профессором Сколковского института науки и технологий Артемом Огановым и профессором НИЯУ «МИФИ», доктором физико-математических наук Николаем Кудряшовым.

В журнале Science была опубликована работа, в которой авторы заявляют о первом успешном получении водорода в фазе твердого металлического вещества. Сами ученые называют свое достижение ни много ни мало «Святым Граалем физики высокого давления».

Немного истории

Открытие имеет долгую историю и довольно любопытные и важные перспективы.

В 1935 году известный физик Юджин Вигнер со своим коллегой Хиллардом Хантингтоном из Принстонского университета опубликовали в журнале (Journal of Chemical Physics, vol. 3, No.

12, 1935) статью, в которой теоретически предсказали, что при повышенном давлении до 250 тысяч атмосфер у водорода происходит фазовый переход, в результате которого появляется кристаллическая решетка и водород становится металлом.

Тридцать три года спустя, в 1968 году, Нейл Эшкрофт из Корнельского университета в своей теоретической работе (Physical Review Letters, vol. 21, 1968, p.

1748) показал, что металлический водород будет высокотемпературным сверхпроводником и критическая температура его перехода в сверхпроводящее состояние будет равняться комнатной или даже выше.

Легко догадаться, какой технологический прорыв мог бы появиться, если бы ученым удалось получить металлический водород в достаточном количестве. Так возникли невероятно оптимистические перспективы технических приложений металлического водорода.

В действительности, более точные расчеты (Н.А. Кудряшов, А.А. Кутуков, Е.А. Мазур, Письма в ЖЭТФ, том 104, вып. 7, 1916, С. 488) показали, что критическая температура металлического водорода в фазе I41/AMD, той самой, которая изучалась Рангой Диас и Айзеком Сильверой при давлении в 500 миллионов атмосфер, дает величину температуры перехода в сверхпроводящее состояние 215 K, то есть –58°C.

Читайте также:  Alchemy как получить металл

Таким образом, начиная с 1970 годов проблема получения металлического водорода остается одной из важных, перспективных и волнующих научных тем.

Еще более привлекательной и интересной эта тема стала после того, как в работах академика Юрия Кагана и его коллег из научного центра «Курчатовский институт» (Успехи физических наук, том 105, 1971, с.

77 и более поздние статьи) было установлено, что металлический водород должен иметь метастабильные свойства. Это значит, что после его получения металл будет в течение некоторого времени (возможно, достаточно продолжительного) оставаться в том состоянии, в котором он был получен.

Определение времени, в котором вещество остается стабильным, — отдельная задача.

Между взрывом и наковальней

Проблема получения металлического водорода оказалась связанной с изучением поведения вещества при высоких давлениях и при низких температурах. Высокие давления в настоящее время получаются с помощью статического сжатия вещества в алмазной наковальне или при динамическом сжатии с помощью взрыва.

Получить в алмазной наковальне металлический водород не так просто. Дело в том, что оценка давления, до которого надо было сжимать водород, следовавшая из работы Вигнера и Хантингтона, оказалось намного заниженной. Кроме того, работать с водородом сложно, поскольку он хорошо растворяется во многих металлах и легко проникает в них вследствие легкости своих молекул.

При взрывном сжатии удается достигать бо́льших давлений, чем в алмазных наковальнях, но при взрывах всегда получаются высокие температуры и технологически трудно получить низкие.

При этом возникает еще одна проблема, связанная с высоким давлением при взрыве. Оно быстро уменьшается после испытания, и провести его измерения за короткое время непросто.

Тем не менее такие работы проводятся в некоторых отечественных и зарубежных лабораториях.

В своем интервью газете «Harward gazette» профессор Сильвера сообщил, что им удалось преодолеть все трудности эксперимента и получить наконец-то некоторое количество одной из фаз металлического водорода. Он заявил, что «это первый в мире образец металлического водорода на Земле, и, когда вы на него смотрите, вы видите то, что никто никогда не видел прежде».

Основной трудностью при подготовке и проведении эксперимента Диаса и Сильверы явилось достижение высокого давления при сжатии водорода в алмазной наковальне без разрушения алмазов.

Исследователи использовали два небольших синтетических алмаза с уникально обработанными поверхностями, установленными в алмазной ячейке. Поверхности соприкосновения с водородом, покрывались тонким слоем оксида алюминия с целью предотвращения процесса диффузии в кристаллическую структуру.

В результате исследователи получили сверхэкстремальное давление, равное 495 миллионам атмосфер, и сверхнизкую температуру, равную 3 K.

Вначале материал в алмазной наковальне имел блестящую поверхность, но «с ростом давления материал стал черным, и мы полагаем, что это произошло потому, что он стал полупроводником, способным поглощать свет, — сказал профессор Сильвера. — Затем мы еще больше увеличили давление, и материал стал блестящим. Отражательная способность его была чрезвычайно высокой, около 90%. Это примерно равно отражающей способности полированного алюминия».

Профессор Дэвид Кэперли из Университета штата Иллинойс, не принимавший участия в исследовании, считает, что «в случае подтверждения этого открытия будет положен конец поискам, продолжавшимся не одно десятилетие. Это открытие может стать новым значительным шагом в понимании самого распространенного элемента во Вселенной».

Мнение эксперта

Корреспондент Indicator.Ru поговорил об открытии с профессором Сколковского института науки и технологий, профессором и заведующим лабораторией компьютерного дизайна материалов в Университете штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук, профессором РАН, специалистом по физике и химии высоких давлений Артемом Огановым.

— Действительное ли это самое первое свидетельство получения твердого металлического водорода?

— Похоже на правду. Однако нужно сохранять здоровую долю осторожности. Все вещества при давлении должны металлизоваться, но у каждого вещества это давление свое. Рано или поздно будет достигнуто давление, при котором водород станет металлом.

Было по меньшей мере две работы, в которых объявлялось о синтезе твердого металлического водорода, но поддержки всего научного сообщества ни то, ни другое сообщение не получило.

В этот раз похоже, что работа группы Айзека Сильверы такую поддержку получает, хотя скептицизм остается.

Айзек Сильвера к этой цели стремился всю свою жизнь. Он получил PhD еще в 1965 году, все время занимался водородом и попытками получения его в металлической фазе. И мне кажется замечательным событием, что в завершении карьеры ему, похоже, удалось достигнуть этой цели.

Результаты этой работы свидетельствуют, что водород, как и любое другое вещество, при достаточном сжатии превращается в металл, подтверждая ожидания физиков.

Для металлического водорода предсказываются очень интересные свойства, например сверхпроводимость при почти комнатных температурах.

Но надо сказать, что предположения о наличии сверхпроводимости в металлическом водороде были многочисленны и предсказываемая ими температура сверхпроводящего перехода существенно разнилась. Самая надежная оценка была сделана несколько лет назад в работе группы Гросса — 240 K (-33°C).

— Водород образует много различных фаз при низких температурах и высоких давлениях: твердое вещество из молекул, промежуточное фаза полупроводника и другие. Твердое металлическое состояние — это последняя фаза, которую до этого не удавалось получить, или у водорода есть еще специфические модификации?

— Поведение водорода очень сложное, поэтому трудно сказать. К тому же постоянно открывают новые разновидности.

Совсем недавно, например, было открыто состояние, в котором графеноподобные слои перемежаются с молекулами H2 — достаточно необычный вариант, также существующий только при высоких давлениях.

Я думаю, последнее слово в этой области еще не сказано. Даже в уже достигнутом диапазоне давлений и температур много может быть открыто.

Фазовая диаграмма водорода очень сильно осложняется дополнительными эффектами.

Во-первых, очень большую роль могут играть квантовые эффекты нулевых колебаний атомов — это следствие принципа неопределенности приводит к тому, что атомы и при абсолютном нуле не находятся в покое, и этот эффект максимален для легких элементов вроде водорода.

Во-вторых, ситуация с водородом осложняется влиянием различных изотопов. У протия, дейтерия и трития и их смесей в различных пропорциях будут очень непохожие давления переходов, не исключены и различные фазы.

Кроме того, ядро водорода обладает спином, поэтому могут появиться дополнительные состояния, связанные с взаимной ориентацией спинов (параводород и ортоводород). Кстати, именно Айк Сильвера внес очень большой вклад в понимание влияния ядерных спиновых эффектов на фазовую диаграмму. В целом можно сказать, что водород — элемент очень непростой.

— Некоторые специалисты не спешат признавать эти результаты как окончательное подтверждение получения твердой металлической фазы. Как вы считаете, измерение какой физической величины полностью может развеять сомнение?

— Полученное вещество, несомненно, является твердым, так как для водорода известна кривая плавления. Вопрос в том, обладает ли оно металлическими свойствами. Самое прямое доказательство — измерение электропроводности или отражающей способности.

Могла бы помочь рамановская спектроскопия, хотя этим методом сложно исследовать металлы, так как рассеяние происходит только в приповерхностном слое, а не в толще кристалла. Возможно, неупругое рентгеновское рассеяние, но и с ним будут трудности, поскольку водород плохо рассеивает рентгеновские лучи.

Водород хорошо рассеивает нейтроны, но нужен большой образец, а в данном случае говорить об этом не приходится.

Также очень сильным подтверждением было бы решение рентгенодифракционным изучением кристаллической структур, но слабое рассеяние рентгеновских лучей атомами водорода опять же затрудняет проведение этого анализа.

— Вы разрабатываете методы предсказания фаз веществ с помощью компьютерного моделирования. В вашей группе проводились расчеты для водорода?

— Нет, мы чистым водородом практически не занимались. Отчасти это связано с тем, что теория его описания недостаточно точна.

Отчасти это связано с неполным описанием всех нужных эффектов, о которых мы говорили — а без этого расчеты могут оказаться бессмысленными.

Читайте также:  Валентность металлов при электролизе

Впрочем, учитывая сложности экспериментального изучения водорода, наиболее перспективным может оказаться именно совместное теоретико-экспериментальное исследование.

— Каковы, на ваш взгляд, перспективы сохранения этой фазы в стабильном или метастабильном состоянии при уменьшении давления до атмосферного?

— Какие-то материалы сохраняются при снятии давления, а какие-то исчезают — точнее, превращаются в более стабильные и более обыденные состояния. Алмаз является одним из многих примеров веществ, образующихся под давлением и сохраняющихся при снятии давления. В случае металлического водорода шансов на сохранение при снятии давления практически нет.

Доля сомнения

Впрочем, представление прорывного открытия научному сообществу прошло не совсем гладко. Уже 26 января новостной портал журнала Nature опубликовал заметку под названием «Физики сомневаются в смелом сообщении о твердом водороде».

Заголовок задал тон всей публикации: сомнения вызвала как новизна опыта, так и все открытие — однако Nature не давала особенно серьезных аргументов, предпочитая заявления в стиле «не верю».

«Мне эта научная статья вообще не представляется убедительной», — сказал французский физик Поль Лубейр.

Американский геофизик Александр Гончаров не уверен, что блестящее вещество, которое увидели исследователи — это на самом деле водород (это может быть и оксид алюминия на поверхности алмазов в наковальне).

Евгений Грегорьянц (Эдинбургский университет) считает проблемным то, что Диас и Сильвера только один раз произвели замеры своего образца под высоким давлением — остается неясным, как давление менялось в ходе эксперимента.

«Я знаю, что многие специалисты в области высоких давлений высказывают сомнения, указывая, что высокая отражательная способность металла может объясняться присутствием загрязнений в составе алмазов, например, окиси алюминия.

Однако, если авторам удалось достичь давления почти в 500 миллионов атмосфер в алмазном прессе, то можно, действительно, ожидать переход водорода в металлическое состояние», — заявил профессор Маркус Кнудсон из Национальных лаборатории Сандии.

«Люди имеют право сомневаться, — считает Артем Оганов. — Такой предмет, как металлический водород, был предметом стольких попыток, сенсаций, разочарований, интриг всяких, войн и так далее. Это очень накаленный предмет. Поэтому люди будут сопротивляться и сомневаться до самого до самого последнего момента.

Я посмотрел статью Сильвера и Диаса. Конечно, у них мало данных. Но, если вы хотите мое интуитивное ощущение, мне кажется, что они водород этот нашли.

Претензии ведь не в том, что они сделали что-то неправильно, а в том, что они не поставили точку, убедив последнего скептика.

Профессор РАН, профессор Сколковского института науки и технологий

Я не вижу каких-то страшных противоречий, и вообще я не вижу никаких противоречий – между тем, что они опубликовали, и тем, что в общем я ожидал.

Не вижу противоречий в давлении перехода, тот экспериментальный подход, который они использовали, мне кажется тоже совершенно разумным. Люди шли к такому эксперименту десятилетиями.

Попытка воспроизвести и подтвердить или опровергнуть этот эксперимент займет, может быть, год-два-три и так далее. Но опять же будут скептики, будут люди, которые захотят иметь больше данных. Это неудивительно.

Представьте, что есть несколько людей, которые всю жизнь стремились к получению металлического водорода. И представьте себе, вы видите, как на ваших глазах кто-то утверждает, что он эту цель уже достиг… Очень многие люди воспринимают это как свою личную победу или поражение».

Завершают свой текст авторы Nature таким пассажем: «несмотря на все позиции скептиков, в опубликованных Science и Гарвардским университетом пресс-релизах уверенно объявляется о получении металлического водорода». Невольно появляется мысль: не появилась ли столь ядовитая по тону публикация в Nature News из-за зависти к конкуренту (Science), который получил честь впервые сообщить о великом открытии?

Авторы — Николай Кудряшов, Тимур Кешелава, Артем Космарский, Алена Манузина

Твёрдое доказательство или новые приключения водорода

Вот уже более ста лет человечеству известно такое физическое явление, как сверхпроводимость. Голландец Х.К.

Оннес в 1911 году, охлаждая ртуть в жидком гелии, обнаружил, что по достижении температуры 4,1 кельвина плавно уменьшающееся до того момента электрическое сопротивление образца резко падает до нуля.

За свои исследования способностей вещества при низких температурах «Господин абсолютного нуля», как восхищённо называли его коллеги, в 1913 году удостоился Нобелевской премии по физике.

С тех пор лучшие умы человечества участвуют в гонке за верхним температурным порогом сверхпроводимости. Ведь тот, кто сумеет добиться нулевого электрического сопротивления в проводнике при комнатной температуре, станет повелителем мира. Преувеличение? Ничуть.

Ключ ко всем мечтам человечества — энергия. Самые смелые проекты, самые дерзкие фантазии станут осуществимы при реализации двух технологических предпосылок: компактного высокоёмкого источника электрической энергии и сведении к нулю потерь передачи этой энергии.

И первое, похоже, недостижимо без второго.

Сегодня самыми «тёплыми» сверхпроводниками являются купраты (соединения на основе меди) различных металлов. Нашими соотечественниками Е. Антиповым и С. Путилиным в 1993 году было зафиксировано рекордное значение критической температуры у вещества HgBa2Ca2Cu3O8+x, и эта температура равна 135 К, или -138 °C. Как видно, до комнатной температуры пока далековато…

Водород Фаза V

Но 7 января 2015 года человечество получило новую благую весть. В статье «Доказательства существования нового состояния плотного водорода при давлении выше 325 гигапаскалей» исследователей Филиппа Далладей-Симпсона, Росса Т.

Хоуи и Евгения Григорянца, опубликованной в журнале Nature, заявлено об открытии новейшего агрегатного состояния водорода, которое учёные назвали «фаза V». Принципиальное отличие нового состояния от полученной ранее «фазы IV» заключается в том, что фазу IV по её свойствам следует относить к полупроводникам, тогда как фаза V демонстрирует свойства металла.

И эти свойства под давлением 350 ГПа (3,4 миллиона атмосфер) были зафиксированы при температуре 465 К, или -8 °C. Доказательством физики считают существенное ослабление подобного эффекта Рамана, проявляющегося в специфической способности поляризации света, которая возникает в результате взаимодействий фотонов с атомами исследуемого вещества.

Исследователи лелеют надежду, что это может означать переход водорода в целиком (или почти полностью) металлическое состояние. При этом они делают акцент на том, что фаза V может и не быть абсолютным металлом в классическом понимании этого термина, но очень похожа на него по своим свойствам.

Структура полученной ранее фазы IV представляла собой нечто вроде слоёв из шестигранников и гораздо дальше отстояла от классической кристаллической решётки металла, вплотную к которой приблизилась судя по её свойствам, структура фазы V.

Металлический водород и сверхпроводимость

Но при чем тут сверхпроводимость? Вроде бы исследователи ничего об этом не упоминают? Действительно, сверхпроводимость не была предметом изучения интернациональной команды Эдинбургского университета.

Однако, как говорят сами учёные, «мы полагаем, что фаза V может быть предшественником немолекулярного (атомизированного и металлического) состояния водорода, предсказанного 80 лет назад». Вот в этом предсказании и скрыта интрига. В 1935 году Юджином Вигнером и Хиллардом Беллом Хантингтоном (E. Wigner, H. B.

Huntington) была опубликована работа, в которой утверждалось, что при превышении определённого давления ядро атома лишится валентного электрона и в объёме водорода образуется свободный электронный газ, свойственный металлам.

Последующие расчёты выявили, что в этом состоянии водород должен будет обладать рядом очень значительных свойств, в том числе сверхпроводимостью при температурах, сопоставимых с комнатной (Ashcroft, N.W. Metallic Hydrogen: A High-Temperature Superconductor? Physical Review Letters. — 1968. — Vol. 21, №. 26. — p. 1748).

До сих пор эти расчёты оставались чистым теоретизированием, поскольку получить металлический водород не удавалось даже в лабораторных условиях, не говоря уж о промышленных объёмах.

Что ж, похоже, сегодня шанхайскому Center for High Pressure Science & Technology Advanced Research удалось ранее недостижимое, и человечество вплотную приблизилось к тому, чтобы воочию увидеть металлическое лицо первого элемента Периодической системы Менделеева.

Остаётся пустяк — зафиксировать это состояние при атмосферном давлении… Очень хочется надеяться, что это случится раньше, чем мир скатится к варварству ортодоксального шариата или станет объектом «исследования» интеллектуальных боеголовок ядерных ракет.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector