Открыть главное меню

Металлический водород

Газовые гиганты (например, Юпитер) могут содержать большие запасы металлического водорода (серый слой)

Металли́ческий водоро́д — совокупность фазовых состояний водорода, находящегося при крайне высоком давлении и претерпевшего фазовый переход. Металлический водород представляет собой вырожденное состояние вещества и, по некоторым предположениям, может обладать некоторыми специфическими свойствами — высокотемпературной сверхпроводимостью и высокой удельной теплотой фазового перехода.

Предсказан теоретически в 1935 году.

История исследованийПравить

В 1930-х годах британский ученый Джон Бернал предположил, что атомарный водород, состоящий из одного протона и одного электрона и представляющий собой полный аналог щелочных металлов, может оказаться стабильным при высоких давлениях[1]. В 1935 году Юджин Вигнер и X. Б. Хантингтон провели соответствующие расчёты. Гипотеза Бернала нашла подтверждение — согласно полученным расчётам, молекулярный водород переходит в атомарную металлическую фазу при давлении около 250 тыс. атмосфер (25 ГПа) со значительным увеличением плотности[2]. В дальнейшем оценка давления, требуемого для фазового перехода, была повышена, но условия перехода всё же считаются потенциально достижимыми. Предсказание свойств металлического водорода ведётся теоретически. Попытки получения, начатые в 1970-х годах, привели к возможным эпизодам водорода в 1996, 2008 и 2011 году, пока, наконец, в 2017 году профессор Айзек Сильвера и его коллега Ранга Диас не добились получения стабильного образца при давлении 5 млн атмосфер[3][4][1], однако камера, где хранился образец, под давлением разрушилась, и образец был потерян.

Связь с другими областями физикиПравить

Астрофизика

Считается, что большие количества металлического водорода присутствуют в ядрах планет-гигантов — Юпитера, Сатурна — и крупных экзопланет. Благодаря гравитационному сжатию под газовым слоем должно находиться ядро из металлического водорода.

Теоретические свойстваПравить

Переход в металлическую фазуПравить

При увеличении внешнего давления до десятков ГПа коллектив атомов водорода начинает проявлять металлические свойства. Ядра водорода (протоны) сближаются друг с другом существенно ближе боровского радиуса, на расстояние, сравнимое с длиной волны де Бройля электронов. Таким образом, сила связи электрона с ядром становится нелокализованной, электроны слабо связываются с протонами и формируют свободный электронный газ так же, как в металлах.

Жидкий металлический водородПравить

Жидкая фаза металлического водорода отличается от твердой фазы отсутствием дальнего порядка. Имеется дискуссия о допустимом диапазоне существования жидкого металлического водорода. В отличие от гелия-4, жидкого при температуре ниже 4,2 K и нормальном давлении благодаря нулевой энергии нулевых колебаний, массив плотно упакованных протонов обладает значительной энергией нулевых колебаний. Соответственно, переход от кристаллической фазы к неупорядоченной ожидается при ещё более высоких давлениях. Исследование, проведенное Н. Ашкрофтом, допускает область жидкого металлического водорода при давлении около 400 ГПа и низких температурах[5][6]. В других работах Е. Бабаев предполагает, что металлический водород может представлять собой металлическую сверхтекучую жидкость.[7][8]

СверхпроводимостьПравить

В 1968 году Нейл Ашкрофт предположил, что металлический водород может обладать сверхпроводимостью при сравнительно высоких температурах.[9]

Более точные расчёты[10] (Н. А. Кудряшов, А. А. Кутуков, Е. А. Мазур, Письма ЖЭТФ, т. 104, вып. 7, 2016, с. 488) показали, что критическая температура металлического водорода в фазе I41/AMD, той самой, которая изучалась[3] Рангой Диас и Иcааком Сильверой при давлении в 5 миллионов атмосфер, дает величину температуры перехода в сверхпроводящее состояние 215 кельвинов, то есть −58 градусов по Цельсию.

Экспериментальные попытки полученияПравить

Металлизация водорода ударным сжатием в 1996 годуПравить

В 1996 году Ливерморская национальная лаборатория сообщила, что в ходе исследований были созданы условия для металлизации водорода и получены первые свидетельства его возможного существования[11]. Кратковременно (около 1 мс) было достигнуто давление более 100 ГПа (  атм.), температура порядка тысяч кельвинов при плотности вещества около 600 кг/м3[12]. Поскольку предыдущие опыты по сжатию твердого водорода в ячейке с алмазными наковальнями до 250 ГПа не дали результата, целью эксперимента не было получение металлического водорода, а только изучение проводимости образца под давлением. Однако, по достижении 140 ГПа электрическое сопротивление практически исчезло. Ширина запрещенной зоны водорода под давлением составила 0.3 эВ, что оказалось сравнимо с тепловой энергией  , соответствующей 3000 К и что свидетельствует о переходе «полупроводник — металл».

Исследования после 1996 годаПравить

Продолжались попытки перевести водород в металлическое состояние статическим сдавливанием при низких температурах. А. Руофф и Ч. Нараяна (Корнеллский университет, 1998)[13], П. Лоувьер и Р. Летуле (2002) последовательно приближались к давлениям, наблюдаемым в центре Земли (324—345 ГПа), но все же не наблюдали фазового перехода.

Эксперименты 2008 годаПравить

Теоретически предсказанный максимум кривой плавления на фазовой диаграмме, указывающий на жидкую металлическую фазу водорода, был экспериментально обнаружен Ш. Деемьяд и И. Сильвера[14]. Группа М. Ереметца заявила о переходе силана в металлическое состояние и проявление сверхпроводимости[15], но результаты не были повторены.[16][17]

Эксперименты 2011 годаПравить

В 2011 году было сообщено о наблюдении жидкой металлической фазы водорода и дейтерия при статическом давлении 260—300 ГПа. [18], что вновь вызвало вопросы в научном сообществе[19].

Эксперименты 2015 годаПравить

26 июня 2015 году в журнале Science была опубликована статья, в которой описан успешный эксперимент группы исследователей из Сандийских национальных лабораторий (США) совместно с группой из Ростокского университета (Германия) по сжатию жидкого дейтерия (тяжёлого водорода) с помощью Z-Машины до состояния, которое проявляет свойства металла[20].

Эксперименты 2016 годаПравить

В июле 2016 сообщалось, что физикам из Гарвардского университета удалось получить в лаборатории металлический водород. Они нагрели жидкий водород с помощью коротких вспышек лазера до температуры около 1900 градусов Цельсия и подвергли давлению в 1,1—1,7 мегабар[21].

Ожидается, что это вещество будет метастабильным, то есть при снятии давления останется металлом. Эксперимент физиков помогает объяснить, какие процессы могут происходить в недрах газовых гигантов. Учёные предполагают, что в будущем металлический водород может быть использован в качестве ракетного топлива или как сверхпроводник, способный существовать при комнатной температуре[22].

Научное сообщество скептически отнеслось к данной новости[23], ожидая повторного эксперимента[24].

Потенциальное применениеПравить

Топливные элементы

Метастабильные соединения металлического водорода перспективны как компактное, эффективное и чистое топливо. При переходе металлического водорода в обычную молекулярную фазу высвобождается в 20 раз больше энергии, чем при сжигании смеси кислорода и водорода — 216 МДж/кг[25].

ПримечанияПравить

  1. 1 2 Сергей Стишов. Практическое использование металлического водорода следует отнести к научной фантастике // Коммерсантъ Наука, № 1, 24 февраля 2017
  2. Wigner, E.; Huntington, H.B. On the possibility of a metallic modification of hydrogen (англ.) // Journal of Chemical Physics. — 1935. — Vol. 3, no. 12. — P. 764. — DOI:10.1063/1.1749590.
  3. 1 2 Ranga P. Dias, Isaac F. Silvera. Observation of the Wigner-Huntington transition to metallic hydrogen (англ.) // Science. — 2017-01-26. — P. eaal1579. — ISSN 1095-9203 0036-8075, 1095-9203. — DOI:10.1126/science.aal1579.
  4. In, Geology. Scientists Have Finally Created Metallic Hydrogen, Geology IN. Дата обращения 28 января 2017.
  5. Ashcroft N. W. The hydrogen liquids (англ.) // Journal of Physics: Condensed Matter. — 2000. — Vol. 12, no. 8A. — P. A129. — DOI:10.1088/0953-8984/12/8A/314.
  6. Bonev S.A., et al. A quantum fluid of metallic hydrogen suggested by first-principles calculations (англ.) // Nature. — 2004. — Vol. 431, no. 7009. — P. 669. — DOI:10.1038/nature02968. — arXiv:cond-mat/0410425.
  7. Babaev E., Ashcroft N. W. Violation of the London law and Onsager–Feynman quantization in multicomponent superconductors (англ.) // Nature Physics. — 2007. — Vol. 3, no. 8. — P. 530. — DOI:10.1038/nphys646. — arXiv:0706.2411.
  8. Babaev E., Sudbø A., Ashcroft N. W. A superconductor to superfluid phase transition in liquid metallic hydrogen (англ.) // Nature. — 2004. — Vol. 431, no. 7009. — P. 666. — DOI:10.1038/nature02910. — arXiv:cond-mat/0410408.
  9. Ashcroft, N.W. Metallic Hydrogen: A High-Temperature Superconductor? (англ.) // Physical Review Letters. — 1968. — Vol. 21, no. 26. — P. 1748. — DOI:10.1103/PhysRevLett.21.1748.
  10. N. A. Kudryashov, A. A. Kutukov, E. A. Mazur. Critical temperature of metallic hydrogen at a pressure of 500 GPa (англ.) // JETP Letters. — 2016-12-14. — Vol. 104, iss. 7. — P. 460–465. — DOI:10.1134/S0021364016190061.
  11. Weir S. T., Mitchell A. C., Nellis W. J. Metallization of fluid molecular hydrogen at 140 GPa (1.4 Mbar) (англ.) // Physical Review Letters. — 2004. — Vol. 76, no. 11. — P. 1860. — DOI:10.1103/PhysRevLett.76.1860.
  12. Nellis, W. J. Metastable Metallic Hydrogen Glass. Lawrence Livermore Preprint UCRL-JC-142360 (2001). — «minimum electrical conductivity of a metal at 140 GPa, 0.6 g/cm3, and 3000 K».
  13. Ruoff A. L., et al. Solid hydrogen at 342 GPa: No evidence for an alkali metal (англ.) // Nature. — 1998. — Vol. 393, no. 6680. — P. 46. — DOI:10.1038/29949.
  14. Deemyad S., Silvera I. F. The melting line of hydrogen at high pressures (англ.) // Physical Review Letters. — 2008. — Vol. 100, no. 15. — DOI:10.1103/PhysRevLett.100.155701. — arXiv:0803.2321.
  15. Eremets M. I., et al. Superconductivity in hydrogen dominant materials: Silane (англ.) // Science. — 2008. — Vol. 319, no. 5869. — P. 1506–9. — DOI:10.1126/science.1153282.
  16. Degtyareva O. Formation of transition metal hydrides at high pressures (англ.) // Solid State Communications. — 2009. — Vol. 149, no. 39—40. — DOI:10.1016/j.ssc.2009.07.022. — arXiv:0907.2128v1.
  17. Hanfland M., Proctor J., Guillaume C. L., et al. High-Pressure Synthesis, Amorphization, and Decomposition of Silane (англ.) // Physical Review Letters. — 2011. — Vol. 106, no. 9. — DOI:10.1103/PhysRevLett.106.095503.
  18. Eremets M. I., Troyan I. A. Conductive dense hydrogen (англ.) // Nature Materials. — 2011. — No. 10. — P. 927–931. — DOI:10.1038/nmat3175.
  19. Nellis W. J., Ruoff A., Silvera I. F. Has Metallic Hydrogen Been Made in a Diamond Anvil Cell? (англ.) // arxiv.org. — 2012. — arXiv:http://arxiv.org/abs/1201.0407.
  20. M. D. Knudson, M. P. Desjarlais, A. Becker, R. W. Lemke, K. R. Cochrane, M. E. Savage, D. E. Bliss, T. R. Mattsson, R. Redmer. Direct observation of an abrupt insulator-to-metal transition in dense liquid deuterium (англ.) // Science. — 26 June 2015. — Vol. 348, no. 6242. — P. 1455—1460. — DOI:10.1126/science.aaa7471.
  21. Физики получили частицу Юпитера на Земле
  22. В США ученые провели эпохальный опыт. Они получили металлический водород // Независимая газета, 27.01.2017.
  23. Physicists doubt bold report of metallic hydrogen // Nature - News & Comment
  24. There's Reason To Be Skeptical About Metallic Hydrogen // Форбс (англ.)
  25. Silvera, Isaac F. Metallic Hydrogen: A Game Changing Rocket Propellant. NIAC SPRING SYMPOSIUM (27 марта 2012). — «Recombination of hydrogen atoms releases 216 MJ/kg Hydrogen/Oxygen combustion in the Shuttle releases 10 MJ/kg ... density about 12-13 fold». Дата обращения 13 мая 2012.