Для чего нужен металлический водород
Ученые создали металлический водород. Они получат Нобелевскую премию?
Ученые давно предполагали, что в центре газовых гигантов (планет, не имеющих твердой поверхности и состоящих в значительной мере из водорода и других газов) законы физики материалов работают совсем не так, как это происходит на других планетах. В подобных условиях, находящийся под огромным давлением водород сжимается настолько, что в буквальном смысле становится металлом. Многие годы исследователи искали возможность создать металлический водород в лабораторных условиях ради его уникальных свойств, которые могли бы пригодиться во многих областях человеческой деятельности.
Какую пользу человеку может принести металлический водород? Например, они пригодится при производстве электроники будущего, благодаря своим особым свойствам электропроводности. А еще на его основе можно будет делать новое ракетное топливо.
Как получить металлический водород?
На сегодняшний день единственным доступным способом получения металлического водорода является использование специальных алмазных наковален, где атомы водорода сжимаются и охлаждаются до тех пор, пока не изменят свое состояние. Почти 80 лет ученые пытаются превратить газообразный водород в металл — и вот у них получилось. Для этого они применили к нему давление, которое больше, чем в ядре Земли.
Публикации о подобных результатах уже появлялись раньше, однако еще ни одна группа ученых не смогла их подтвердить. Например, в 2011 сообщалось, о том, что ученые смогли «сжать» водород до нужного состояния с помощью давления выше 220 ГПа (гигапаскалей), что более чем в 2 миллиона раз больше атмосферного, которое составляет 100 кПа (килопаскалей). В 2017 году другая группа ученых заявляла о том, что им удалось достичь давления уже 495 ГПа. Кстати, тогда основную часть экспериментов они провести не успели. Единственный полученный образец металлического водорода был утерян после того, как одна из алмазных наковален рассыпалась в пыль во время попытки измерить давление. Что стало с образцом – непонятно. Может он затерялся среди алмазных частиц, может превратился обратно в газ. Почитать подробнее об этой неудаче можно здесь можно здесь.
Французские учены учли предыдущий опыт и ошибки своих коллег, а также свои предыдущие исследования и все-таки добились нужного результата. Удалось это благодаря двум открытиям. Во-первых, они изменили конструкцию алмазной наковальни, сделав вершины алмазных наконечников не плоскими, а тороидальными, с углублением в виде бублика. Такое изменение позволило увеличить максимальный предел давления с 400 Гпа до 600 ГПа.
Наконечник улучшенной алмазной наковальни. Диаметр кольцевых трещин составляет около 150 микрон (чуть больше толщины человеческого волоса)
Во-вторых, они создали новый тип специального инфракрасного спектрометра – инструмента, позволяющего проводить измерения образца водорода.
Изображение переходных фаз водорода при эксперименте 2017 года (сверху) и смена фаз при различных значениях давления – 315, 427 и 300 ГПа – при эксперименте французских ученых. Во втором случае видно, что образец водорода стал непрозрачным
Заявление французских ученых было воспринято с недоверием, в основной потому, что предыдущие утверждения об успешном создании металлического водорода оказывались ошибочными, не соответствовали действительности или просто были недоказуемыми.
Тем не менее, уже сейчас многие говорят, что группа французских физиков может получить Нобелевскую премию за свое открытие — самую престижную премию в науке.
Что думаете по этому поводу? Согласны, что это Нобелевка? Поделиться мнением можно в нашем Telegram-чате.
«Практическое использование металлического водорода следует отнести к научной фантастике»
Исследователи из Гарвардского университета сообщили о получении — под давлением около 5 млн атмосфер — водорода в металлическом состоянии. Научный руководитель Института физики высоких давлений РАН, академик Сергей Стишов рассказывает об истории и перспективах металлического водорода.
Водород обычно встречается в молекулярном виде, то есть в виде молекул, состоящих из двух протонов и двух электронов. Однако, если расщепить молекулу, то получится атомарный водород, состоящий из одного протона и одного электрона и представляющий собой полный аналог щелочных металлов. При атмосферном давлении атомарный водород неустойчив и быстро переходит в молекулярную форму. Однако в тридцатых годах прошлого века британский ученый Джон Бернал, известный борец за мир и автор оригинальных научных идей (например, о структуре жидкостей, об оливин-шпинелевом переходе в недрах Земли), предположил, что атомарный водород может оказаться стабильным при высоких давлениях. Эта идея привлекла внимание теоретиков Вигнера и Хантингтона, которые и произвели соответствующие расчеты в 1935 году. Гипотеза Бернала нашла подтверждение — согласно указанным расчетам, молекулярный водород переходит в атомарную металлическую фазу при высоких давлениях порядка 250 тыс. атмосфер со значительным увеличением плотности (в свете современных исследований приведенная оценка выглядит весьма приближенной).
Однако с тех пор долгое время проблема металлического водорода не находилась в центре внимания исследователей в области физики высоких давлений. Следует лишь упомянуть теоретические работы А. А. Абрикосова (ныне нобелевского лауреата) и В. П. Трубицына, выполненные в 1950-х годах прошлого столетия и посвященные строению водородных планет: Юпитера и Сатурна.
Взрыв интереса к проблеме произошел в 1968 году, когда американский физик Нил Ашкрофт опубликовал статью, в которой доказывал, что полученный при высоком давлении атомный металлический водород может при атмосферном давлении оставаться стабильным. Но главное, Ашкрофт показал, что металлический водород может обладать сверхпроводимостью при комнатной температуре. Вот это и явилось главной мотивацией для дальнейших исследований. Действительно, получение материала со сверхпроводимостью при комнатной температуре означало бы переворот в энергетике.
Несколько экспериментальных групп объявили о своих намерениях заняться получением металлического водорода. Одними из первых заявила о себе группа Нила Ашкрофта и Артура Руоффа из Корнелльского университета (США). В интервью, напечатанном в Physics Today в начале 1970-х, они заявили, что при наличии финансирования сделают металлический водород в течение года.
Нужно сказать, в это время уже было ясно, что для получения металлического водорода потребуется давление не менее миллиона атмосфер. И никто не знал, как получить этот миллион. Руофф в Корнелле строил громадный многопуансонный аппарат, с помощью которого, как оказалось, нельзя было получить необходимое давление. Другие группы в США и России стали готовить аппаратуру для измерения уравнения состояния и кривой плавления молекулярной фазы. В Институте физики высоких давлений (ИФВД) АН СССР стали думать, как приспособить имевшийся громадный пресс усилием 50 тыс. тонн для поисков металлического водорода. Теоретики стали еще и еще раз вычислять давление перехода водорода в металлическое состояние, температуру его сверхпроводящего перехода, анализировать свойства метастабильной фазы металлического водорода (Е. Г. Бровман и Ю. Каган). В. Л. Гинзбург (будущий нобелевский лауреат) — апологет сверхпроводимости во всех ее проявлениях и автор основополагающей работы в этой области (знаменитое уравнение Гинзбурга — Ландау) — был настолько увлечен перспективой получения комнатной сверхпроводимости, что объявил проблему металлического водорода одной из важнейших проблем физики твердого тела. Словом, работа началась.
Одновременно в ненаучной прессе появились фантастические прогнозы. Например, что из металлического водорода можно будет делать легчайшие пуленепробиваемые жакеты или детали космических ракет, которые можно будет использовать как топливо. Ученые особенно не протестовали против подобных измышлений, а порой и сами пускали их в оборот, поскольку это помогало получить финансирование.
Так или иначе, проблема металлического водорода, потенциально обладающего чудодейственными свойствами, приобрела в 1970-х годах вполне тотальный и даже государственный характер. Для подтверждения сказанному расскажу небольшую историю. В 1977 году я посетил несколько университетских и национальных лабораторий США, среди них была и Аргоннская национальная лаборатория, где я общался с одним из ее сотрудников, Джимом Иогерсоном. Спустя несколько лет Джим при встрече рассказал мне, что после моего визита в Аргонн к нему заявились представители секретных служб, стараясь выяснить, правда ли, что академик Л. Ф. Верещагин погиб в результате взрыва полученного в его институте (ИФВД) металлического водорода (Л. Ф. Верещагин скончался в 1977 году незадолго до моего визита в США, по причинам, никак не связанным с водородной тематикой). Это история показывает, что государственная машина США следила за ситуацией и принимала всерьез самые нелепые выдумки. Кроме того, государственные люди США, подогретые прессой и учеными, опасались, что металлический водород будет впервые получен в СССР. Большой пресс ИФВД не давал им покоя.
Тем не менее реального продвижения на пути к достижению миллионных давлений не было до тех пор, пока Питер Белл и Дейв Мао из Геофизической лаборатории (Вашингтон, США) не заявили в 1977 году о достижении 1,7 млн атмосфер в миниатюрном устройстве (алмазных наковальнях), давление в котором создается с помощью двух алмазов. Лед тронулся. Начались реальные исследования водорода. Однако с течением времени выяснилось, что действенных игроков всего трое. Это Артур Руофф из Корнелла, Рассел Хемли и Дейв Мао из Геофизической лаборатории и сегодняшний герой Айк Сильвера (Isaac Silvera) из Гарварда (все из США). Айк получил признание за работы по стабилизации атомарного водорода осаждением на подложку, порытую сверхтекучим гелием, проведенные во время его пребывания в Голландии.
Алмазные наковальни позволяют получать давление до 5 млн атмосфер, но в очень маленьком образце — микронных размеров
За годы исследований было получено много экспериментальных данных в условиях высоких статических и динамических давлений. Билл Неллис из Ливерморской лаборатории (США) утверждал, что жидкий дейтерий (изотоп водорода) переходит в металлическую жидкость при высоких давлениях и температурах, создаваемых сильными ударными волнами. Совершенствуя технику эксперимента, исследователи шаг за шагом приблизились к давлениям, царящим в центре Земли (около 4,5 млн атмосфер). Однако водород упорно не хотел металлизоваться. Исследователи обратились к соединениям водорода и жидкому водороду, было получено много интересных результатов, но твердый водород оставался непреклонным.
И наконец, в январе этого года Айк Сильвера публикует в журнале Science сообщение о получении металлического водорода при давлении около 5 млн атмосфер. Это утверждение мгновенно подверглось критике со стороны конкурирующих исследователей (Е. Григорьянц, Эдинбург; М. Еремец, Майнц), хотя было поддержано отцом всей этой деятельности Нилом Ашкрофтом.
Как бы ни сложилась ситуация дальше, ясно, металлический водород получен — или будет получен. Но важно знать, что количество вещества, получаемое в алмазных наковальнях, можно уместить на острие тонкой швейной иглы. По этой причине всякие проекты, связанные с практическим использованием металлического водорода, следует отнести к научно-фантастическому жанру.
Для чего нужен металлический водород
Строение водорода — образец гениальной простоты. Не одно поколение физиков и химиков выросло на изучении этого вездесущего атома. Знакомый до мелочей дуэт протона и электрона при определённых условиях, включающих комнатную (!) температуру, может даже обладать сверхпроводимостью. А это путь к воплощению самых смелых идей.
Эта статья была опубликована в журнале OYLA №12(40). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.
Французский химик Жан-Батист Дюма назвал его газообразным металлом, а автор периодического закона Дмитрий Менделеев поместил во главе группы щелочных металлов. Какие свойства водорода делают его похожим на металлы?
Двухатомная молекула водорода (H2)
Вступая в химические реакции, водород, как многие металлы, отдаёт валентный электрон и заряжается положительно. Однако есть отличие, которое не позволяет отнести водород к группе металлов. Атомы металлов способны собираться в кристаллические решётки — водород же этого делать не умеет.
А что, если увеличить давление? Возможно, при экстремально высоких давлениях атомы водорода сблизятся настолько, что расстояние между соседними ядрами окажется много меньше расстояния между электроном и ядром в атоме. И тогда электроны водорода будут собираться в электронный газ, свободно перемещаться по решётке и придавать веществу характерный блеск, как это происходит в металлах.
Так рассуждал английский физик Джон Бернал. В 1925 году он выдвинул гипотезу, что любое вещество, подвергнутое сильному сжатию, может стать металлоподобным.
Позже, в 1935‑м, американские физики Юджин Вигнер и Хиллард Хантингтон привели численные расчёты, согласно которым молекулярный водород переходит в атомарную металлическую фазу при давлении около 250 тыс. атмосфер. Плотность конечного продукта (0,59 г/см³) должна быть в 6 раз больше, чем у твёрдого молекулярного водорода (0,09 г/см³).
Кристаллическая решётка металлического водорода
Тридцать три года спустя, в 1968‑м, профессор Корнеллского университета Нейл Эшкрофт предсказал, что металлический водород будет сверхпроводником при комнатной температуре, а также обосновал парадоксальную возможность существования металлического водорода в виде… жидкости! Более точные расчёты 2016 года показали, что критическая температура металлического водорода при давлении в 5 млн атмосфер равна температуре перехода в сверхпроводящее состояние 215 К, то есть –58 °С.
Идея получения водородного сверхпроводника оказалась невероятно заманчива, оно и понятно. Только на линиях электропередачи из-за сопротивления материала мы теряем столько энергии, что простая замена меди сверхпроводником была бы равносильна вводу в эксплуатацию двух крупнейших в мире гидроэлектростанций. А обмотки из сверхпроводников способны приблизить коэффициент полезного действия электрических машин к заветной единице.
Космический корабль NASA «Юнона» исследует структуру и конвекцию внутреннего пространства Юпитера, достигая верхнего слоя атмосферы планеты через метеорологический слой. На схеме показано возможное внутреннее «скальное» ядро, окружённое металлической водородной оболочкой (синее) и внешней оболочкой из молекулярного водорода (коричневое), всё скрыто под облаком. Данные «Юноны» о гравитационном поле планеты дадут новые подсказки о ядре Юпитера.
Металлический водород стал одним из важнейших объектов исследования в области физики высоких давлений. Эстафету подхватили астрофизики, предположив, что планеты-гиганты Юпитер и Сатурн представляют собой природные фабрики по производству гипотетического металла. Во-первых, они более чем на 90% состоят из водорода. Во-вторых, там холодно: даже летом на Юпитере –100°С. В-третьих, гиганты обладают мощным магнитным полем. Всё это наводит на мысль о существовании металлического сверхпроводникового ядра.
Рукотворная спутница Юпитера
Найти косвенные подтверждения наличия металлического водорода на Юпитере призвана «Юнона» — автоматическая межпланетная станция NASA, долетевшая до планеты-гиганта 5 июля 2016 года. По первоначальному плану станция должна была совершить 37 оборотов по низкой, «двухнедельной» траектории, приближаясь к верхней кромке атмосферы на 4–5 тыс. км, и построить карту магнитосферы. «Юнона» оснащена магнитометром; детектором частиц, отображающим распределение ионов гелия, водорода, кислорода в магнитном поле; масс-спектрометром, фиксирующим частицы в полярном сиянии; детектором плазменных и радиоволн; спектрографом ультрафиолетового излучения для определения структуры полярных сияний; инфракрасной камерой высокого разрешения и камерой видимого спектра.
Программа «Юноны» подверглась значительным изменениям за время миссии. Из-за неполадок в двигательной системе станцию оставили на высокой, 53‑дневной орбите и наблюдали за планетой с безопасного для аппарата расстояния. Предполагается, что он будет исследовать Юпитер до лета 2021 года, поставляя на Землю полученные данные.
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!
Ячейка с алмазными наковальнями
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.
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. 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.
Металлическое топливо
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.
Как работает Z-машина
Sandia Z-machine — экспериментальная установка, предназначенная для исследования вещества в условиях экстремальных температур и давлений.
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…
Ученым из Гарварда удалось получить металлический водород
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.