Железный водород. Получен металлический водород! Космическое поведение водорода

16.01.2020

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.

Источник: Dias & Silvera, 2017

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

Через давление к звёздам

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

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

Битва за металл

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

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

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

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

Сделанные под микроскопом снимки показывают превращение водорода в блестящую металлическую субстанцию

Червь сомнени й

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

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

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

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

Тем временем Сильвера и Диас защищали своё открытие как могли.

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

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

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

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

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

Металлический водород

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

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

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

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

Погружаясь в Юпитер

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

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

Погружаясь глубже, водород становится еще более странным

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

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

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

Жидкий металлический водород

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

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

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

Свойства металлического водорода

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

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

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

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

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

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

просмотров

Сохранить ВКонтакте