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.
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 - совокупность фаз высокого давления водорода, обладающих металлич. свойствами. Возможность перехода водорода в металлич. фазу была впервые теоретически рассмотрена Ю. Вигнером и X. Б. Хантингтоном в 1935 [I]-^B дальнейшем по мере развития методов электронной теории металлов ур-ние состояния металлич. фаз водорода исследовалось теоретически. На рис. 1 приведена фазовая диаграмма, полученная путём синтеза результатов этих расчётов с эксперим. и теоретич. данными по ур-нию состояния молекулярного водорода . При атм. давлении и низких темп-pax водород существует в виде диэлектрич. молекулярного кристалла, при повышении давления происходит переход в кри-сталлич. металлич. состояние. При этом в зависимости от темп-ры возможны 3 фазы M. в. При темп-ре T = 0 К и давлении r = 300-100 ГПа металлизация сопровождается перестройкой кристаллич. структуры, H 2 и металлич. кристалл становится атомарным . При T > 10 К возможна металлизация с сохранением структуры молекулярного кристалла (пунктир; металлизация такого типа ранее наблюдалась в иоде). При дальнейшем повышении давления или темп-ры наступает металлич. фазы и образуется жидкий атомарный M. в.
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
Недавно двум ученым, Михаилу Еремцу и Ивану Трояну, в результате лабораторных экспериментов удалось то, чего не могли осуществить многие физики и химики — получить металлический водород. Как известно, этот элемент в подобном состоянии может проявлять свойства сверхпроводника при комнатной температуре. Поэтому открытие стало настоящей сенсацией.
Я думаю, многие из нас еще тогда, когда учились в школе, то часто задавались вопросом — почему всем известный и нежно любимый нами водород находится в таблице Менделеева в двух группах — в I и в VII. И, наверное, те, кто задавал этот вопрос учителю химии, узнали от него, что это происходит потому, что поскольку электронный уровень 1s вмещает не более двух электронов, то атому водорода (у которого он один) в общем-то все равно — для того, чтобы достичь устойчивой электронной конфигурации, можно и приобретать чужой, и терять свой электрон.
Именно поэтому он может отдать электрон, как поступают металлы (при образовании галогеноводородов), а также перетянуть к себе чужой, как это делают неметаллы (при образовании гидридов металлов). Причем, как показывает опыт, охотнее водород все-таки отдает, нежели отбирает. Исходя из этого, логично предположить, что "в душе" он все-таки металл.
Однако не все так просто, особенно когда речь заходит о физических свойствах этого элемента. В норме, как мы помним, водород — это газ, а таковое для металлов не характерно, они в нормальных условиях чаще всего твердые вещества (и лишь иногда — жидкости). Кроме того, водород в чистом виде ведет себя как диэлектрик, а металлы в норме — проводники. Исходя из этого, большинство химиков и физиков склонны воспринимать этот газ как неметалл.
Тем не менее, некоторые ученые считают, что в особых условиях от водорода можно добиться, чтобы он вел себя так, как положено металлу. Еще в 1935 году американские исследователи Юджин Вигнер и Хиллард Хантингтон предположили, что молекулярный водород в условиях высокого давления (что-то в районе 250 000 атмосфер) должен приобретать металлические свойства. При этом, согласно расчетам, металлический водород может переходить в сверхпроводящее состояние при температуре в 200-400 К (а это от -73 до + 127 градусов Цельсия, то есть в данный диапазон попадает и комнатная температура!).
Ученые также выяснили, что металлический водород может оказаться метастабильным, то есть после снятия давления не будет сразу возвращаться в привычное состояние газа с диэлектрическими свойствами, а какое-то время побудет сверхпроводником.
Как видите, если бы людям удалось каким-то образом добыть металлический водород, то проблема создания электрических сверхпроводников, работающих при нормальных для человечества температурах, была бы решена раз и навсегда. Но вот беда — в природе таковой практически отсутствует. Правда, считается, что он может быть в достаточных количествах в верхних слоях "коры" Юпитера, где, как известно, давление весьма высоко, но ведь оттуда его не достанешь. Мы и к соседнему Марсу слетать-то никак не соберемся, чего уж про Юпитер говорить…
Именно поэтому ученые уже достаточно долгое время пытаются получить металлический водород в лабораторных условиях. Однако вопрос о том, наблюдалась ли в данных экспериментах искомая "металлизация", остается спорным — исследователи не могли представить убедительных доказательств. Более того, ряд опытов даже свидетельствовал об обратном — в недавних экспериментах, проведенных при температуре ниже 100К, было показано, что водород сохраняет молекулярное диэлектрическое состояние даже под давлением в 300 Гпа. То есть даже в таких адских условиях упрямый элемент никак не хотел становиться металлом.
Тем не менее, на днях весь научный мир потрясло известие о том, что два ученых из Химического института Макса Планка в Майнце, Михаил Еремец и Иван Троян смогли в лабораторных условиях получить долгожданный металлический водород. Как следует из статьи экспериментаторов (с ней можно ознакомиться ), они использовали так называемую алмазную наковальню — установку из двух кристаллов алмаза, между остриями которых была помещена изолирующая прокладка.
В ее отверстие был помещен образец (газ в сжимаемой емкости) диаметром в ~10 и толщиной в ~2 мкм. Чтобы регистрировать сопротивление, к нему подвели тонкие (около 50 нм в диаметрое) электроды. После чего ученые стали постепенно увеличивали давление и отслеживали изменения свойств водорода. К слову сказать, все это происходило при комнатной температуре (то есть при 295 К или 22 градусах Цельсия).
По словам экспериментаторов, когда давление достигло отметки 178 ГПа, водород и изолирующая прокладка оставались прозрачными. Однако позже, при 200 ГПа образец начал темнеть, то есть стал непрозрачным (первое свидетельство его превращения в металл). При дальнейшем повышении давления, на отметке в 234 ГПа образец стал совсем непрозрачным, а при 250 ГПа и того больше — начал отражать свет (то есть заблестел, подобно большинству металлов).
Также было установлено, что давление в 220 Гпа привело к тому, что в образце появилась электропроводность, а повышение давления до 260-270 ГПа вызвало резкий рост проводимости, которая стабилизировалась на новом уровне и практически не менялась, если давление поднимали до 300 ГПа. Подобное изменение характеристик вещества физики и считают признаком перехода в металлическое состояние.
Интересно, что подобное предположение подтвердилось и во время контрольного лазерного облучения: при давлении до 260 ГПа воздействие гелий-неонового лазера на образец приводило к снижению сопротивления, а после — давало противоположный эффект (что обычно и происходит в таких условиях с металлами).
Чтобы окончательно удостовериться в том, что им удалось получить именно металлический водород, а не что-то иное, Еремец и Троян охладили образец до 30 градусов Кельвина. И хотя сопротивление немного поднялось, тем не менее электропроводность образец не потерял. так и остался проводящим. Обратное же превращение металлической фазы в молекулярный водород началось лишь тогда, когда давление снизили до 200 ГПа.
Итак, судя по всему, немецким физикам российского происхождения, Михаилу Еремцу и Ивану Трояну впервые удалось получить металлический водород. И хотя на многих коллег это открытие произвело огромное впечатление, нашлись и скептики, усомнившиеся в корректности проведения эксперимента. Они отмечают, что при данных опытах металлические электроды и эпоксидная смола могли взаимодействовать с водородом во время сдавливания и сильно исказить результаты.
А авторитетный материаловед Артур Руофф из Корнеллского университета (США) указывает на одну странность — по его мнению, весьма подозрительным кажется то, что сопротивление металлического образца при охлаждении до 30 К увеличилось аж на 20 процентов! Он отмечает, что у типичного металла в таких условиях оно должно было либо снизиться, либо показать гораздо более существенный рост.