| | 30 января 2017 | Новости науки и техники
Ученым впервые в истории удалось получить металлическую форму водорода
Спустя почти столетие после теоретического обоснования возможности его существования, ученым из Гарвардского университета впервые удалось получить чрезвычайно редкий и один из потенциально самых ценных материалов на свете. Этим материалом является водород в атомарной металлической форме, и он был получен группой профессора Томаса Д. Кэбота (Thomas D. Cabot), в состав которой входили ученые Исаак Сильвера (Isaac Silvera) и Рэнги Диас (Ranga Dias). Помимо получения ответов на некоторые вопросы касательно фундаментальной природы материи, данное достижение может «сдвинуть с места» некоторые направления исследований, связанных с высокотемпературными сверхпроводниками, работающими при комнатной температуре, к примеру.
«Получение металлического водорода является «Священным Граалем» физики высоких давлений» — рассказывает Исаак Сильвера, — «Это первый образец металлического водорода, полученный на Земле. И когда вы смотрите на него, вы видите то, что не существовало никогда прежде».
Для того, чтобы получить крошечный образец металлического атомарного водорода, ученые воздействовали на образец обычного водорода давлением в 495 гигапаскалей, давлением, более высоким, чем давление в центре Земли. При повышении давления свыше определенного предела водород переходит в твердую молекулярную форму, в узлах кристаллической решетки которой находятся молекулы, состоящие из двух атомов. Но при дальнейшем повышении давления связи между атомами в молекулах разрушаются и водород принимает более плотную форму металлического атомарного водорода.
Для того, чтобы получить новую форму водорода, ученые использовали один из самых твердых материалов на свете — алмаз. Из искусственного алмаза высокой чистоты были изготовлены две части так называемой алмазной наковальни. Форма этих частей была выбрана таким образом, чтобы придать всей конструкции еще большую прочность. После того, как поверхности наковальни были отполированы самым тщательным образом, ученые при помощи атомно-силового микроскопа провели проверку поверхности на наличие дефектов, которые могли бы стать причиной потери прочности и разрушения наковальни во время экспериментов.
Естественно, что учеными было найдено множество дефектов и качество поверхности было доведено позже до идеального при помощи метода травления химически активными ионами. После этого поверхность рабочих плоскостей наковальни была покрыта тончайшим слоем корунда, окиси алюминия, который препятствовал проникновению молекул и атомов водорода внутрь кристаллической решетки алмаза.
«Существует одно из предположений, что металлический атомарный водород является метастабильным веществом» — рассказывает Сильвера, — «Это означает то, что при снятии давления водород будет продолжать оставаться в металлическом состоянии. Такой процесс родственен тому, как под высоким давлением из углерода образуются кристаллы алмаза».
Помимо предположения о метастабильности металлического водорода, существует предположение о том, что этот материал является высокотемпературным сверхпроводником, сохраняющим свои свойства при комнатной температуре. «Подтверждение такого свойства станет целой революцией в области сверхпроводимости» — пишут ученые, — «Ведь во время транспортировки энергии тратится около 15 процентов на преодоление электрического сопротивления проводников воздушных линий и кабелей. Если атомарный металлический водород можно будет использовать в качестве среды передачи энергии на дальние расстояния, то это коренным образом изменит всю энергетическую отрасль».
Еще одним перспективным вариантом использования металлического водорода является его использование в качестве реактивного топлива. «На получение металлического водорода тратится огромное количество энергии, которая сохраняется в его структуре» — рассказывает Сильвера, — «Во время возвращения водорода к молекулярному виду, эта энергия снова высвободится. Поэтому атомарный водород можно считать самым мощным видом реактивного топлива, заключенная в нем энергия минимум в четыре раза превосходит химическую энергию, заключенную в лучших образцах современного реактивного топлива».
«Применение такого топлива позволит нам исследовать внешние планеты Солнечной системы» — рассказывает Сильвера, — «Помимо этого, мы будем способны выводить на орбиту достаточно большие грузы при помощи простых одноступенчатых ракет».
А ученые, тем временем, делают ряд необходимых модификаций своего оборудования, что позволит им в будущем получить металлический атомарный водород в количествах, достаточных для проведения всесторонних исследований свойств этого нового материала.
