Водород как металл. Прорыв в физике? Твёрдый металлический водород, возможно, стал реальностью

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.

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.

Металлический водород

Металлический водород - совокупность фазовых состояний водорода , находящегося при высоком давлении и претерпевшего фазовый переход . Металлический водород представляет собой вырожденное состояние вещества и обладает некоторыми замечательными свойствами - высокотемпературной сверхпроводимостью и высокой удельной теплотой фазового перехода. Возможно существование твердой кристаллической и жидкой фазы металлического водорода, в которой отсутствует дальний порядок .

История исследований

В 1935 год Ю. Вигнер и X. Б. Хантингтон предсказали переход водорода в металлическое состояние под действием высокого давления (около 25 ГПа) и потерю валентного электрона ядром . В дальнейшем оценка давления, требуемого для фазового перехода, была повышена, но условия перехода всё же считаются потенциально достижимыми. Предсказание свойств металлического водорода ведется теоретически. Попытки получения, начатые в 1970-х годах, привели к серии опытов М. Еремец в 2008 и А так же Еремец и Троян 2011 годах . Однако, имеются сомнения в получении металлического водорода .

Теоретические свойства

Твердый металлический водород

Кристаллическая решетка твердого металлического водорода формируется ядрами водорода (протонами), находящимися друг от друга существенно ближе боровского радиуса , на расстоянии, сравнимом с длиной волны де Бройля электронов. Таким образом, электроны слабо связаны с протонами и формируют свободный электронный газ так же, как в металлах.

Жидкий металлический водород

Жидкий металлический водород образуется при плавлении твердого металлического водорода. В отличие от гелия-4 , жидкого при нормальном давлении и температуре ниже 2,17 K, существование жидкого металлического водорода в таких условиях ставится под сомнение. Энергия нулевых колебаний в массиве плотно упакованных протонов велика, и переход от кристаллической фазы ожидается при высоких давлениях. Исследование максимальной точки плавления на диаграмме состояний водорода, проведенное Н. Ашкрофтом, допускает область давлений около 400 ГПа, при которых водород является жидким металлом при низких температурах . Егором Бабаевым было предсказано что металлический водород может представлять собой новое агрегатное состояние: металлическую сверхтекучую жидкость.

Сверхпроводимость

Металлический водород обладает сверхпроводимостью при температурах, вплоть до комнатной, что гораздо выше, чем в других материалах.

Экспериментальные попытки получения

Ударное сжатие: W. Nellis Предположительно получил металлический водород в экспериментах по ударному сжатию Опыты 2008 и 2011 года. Ударное сжатие. Получение давлением в алмазных наковальнях.

Связь с другими областями физики

Металлический водород может существовать в ядрах планет-гигантов.

Применение

Предлагаются топливные ячейки, использующие отдачу энергии фазового перехода металлического водорода в диэлектрическое состояние при снятии давления.

См. также

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Металлический водород" в других словарях:

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… … Физическая энциклопедия

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

Производство металлического водорода было сложной задачей из области физики конденсированных сред, над которой ученые работали не один десяток лет. Такой материал способен служить отличным сверхпроводником при комнатной температуре и проявлять метастабильные свойства при высвобождении давления, и может оказать существенное влияние на , медицину и ракетостроение.

Исследователям из Гарварда удалось получить водород со свойствами металла. Результаты знакового научного эксперимента Ранга Диаса (Ranga P. Dias) и Исаака Сильвера (Isaac F. Silvera) были опубликованы на прошлой неделе в журнале Science .

Материал удалось создать путем сжатия емкости с молекулярным водородом между двумя искусственными алмазами в условиях сверхвысокого давления и низкой температуры. Давление пресса достигало 495 ГПа, что составляет около 5 млн атмосфер, при этом температура была понижена до минус 270 градусов по Цельсию.

В результате такого воздействия произошел процесс, который присущ металлам – атомы водорода выстроились в структуру, подобную кристаллической решетке и стали обмениваться электронами. Способность водорода переходить в состояние металла исследователи допускали еще более 80 лет назад. Ценность металлического водорода заключается в его свойствах, которые сейчас в полной мере не обладает ни один из известных материалов.

Предполагается, что металлический водород метастабилен. На практике это означает, что даже при возвращении его в условия нормальной окружающей среды он не будет менять свои свойства. Также ученые говорят о том, что металлический водород может быть сверхпроводником даже при комнатной температуре, что позволит достичь невиданных ранее результатов в передаче и аккумулировании энергии.

Сообщается, что уже заинтересовалось открытием ученых, поскольку применение металлического водорода в качестве топлива будет обеспечивать возможность создания мощнейшей тяги и вывода в космос массивных аппаратов.

Сейчас ученым нужно точно определить, является ли металлический водород действительно метастабильным и научиться создавать его в больших количествах, поскольку не все научное сообщество соглашается с их интерпретацией результатов эксперимента.

Гарвардские ученые Айзек Сильвера и Ранга Диас получили металлический водород ! Отчет об этом событии был представлен 26 января 2017 г. в журнале Science (Ranga P. Dias, Isaac F. Silvera. Observation of the Wigner-Huntington transition to metallic hydrogen).

Суть эксперимента состояла в том, что между алмазами, в условиях невероятно огромных давлении и температуры, был зажат водород. Указывается, что показатели давления в этот момент превышали параметры в центре Земли! К сожалению, зафиксировать металлическое состояние при нормальных температурах и давлении пока не получилось. Однако, ученые собираются продолжать свою серию опытов, при более низком давлении. В случае успеха, металлический водород ждет большое будущее.

Металлический водород: перспективы применения

Ожидается, что это вещество найдет применение как топливо для космических ракет. Эффект от применения металлического водорода в таком качестве по расчетам превысит эффект существующих ракетных топлив более чем в 4 раза, что позволит выводить на орбиту более тяжелые грузы.
Очень перспективно использование металлического водорода в качестве сверхпроводника. Сейчас проводники изготавливаются из разных металлов, но даже в лучшем случае, потери электрического тока при прохождении через проводник достигают 15%. В случае использования металлического водорода потери приблизились бы к нулю. Так что