Новостная лента

Металлический водород: когда теория становится реальностью

01.02.2016

 

 

Почти через столетие после теоретического предсказания физики из Гарварда получили потенциально ценный материал на планете – металлический водород. Эксперимент провели физики Томас Кэбот, Исаак Сильвера и Ранґа Диас. Его результаты важны не только потому, что помогают ученым найти ответы на фундаментальные вопросы о природе материи, но и потому, что металлический водород теоретически будет иметь целый спектр практических применений, в частности как высокотемпературный сверхпроводник. Процесс получения редкого материала авторы описали в статье, опубликованной 26 января в Science.

 

Водород сжали внутри алмазной наковальни. В условиях высокого давления атомы водорода объединяются металлическим связью (справа).

 

Исаак Сильвера назвал его «Святым Граалем» физики высокого давления. «На Земле металлический водород никогда не существовал (поскольку для его синтеза нужен колоссальное давление, ученые предполагают, что он в большом количестве присутствует в недрах планет-газовых гигантов, – прим. пер.), поэтому когда вы на него смотрите, вы видите то, чего раньше никогда не существовало».

 

Чтобы получить металлический водород, ученые сжали небольшой образец твердого водорода до 495 ГПа (82,5 млн. кг на см2), что превышает давление в центре Земли (361 ГПа). В условиях такого экстремального давления в твердом молекулярном водороде наступает фазовый переход, который трансформирует его в атомный металлический водород.

 

Исследования Кебота-Сильвера-Диаса не только проливает свет на понимание общих свойств водорода, но и открывает новые пути к созданию материалов с потенциально революционными свойствами. «Важное теоретическое предсказание относительно металлического водорода заключается в том, что он должен быть стабильный и существовать в этом состоянии, даже когда вы заберете давление. Это напоминает графит, который за высокого давления становится алмазом и продолжает им быть, когда устранить давление».

 

Том, действительно ли металлический водород является стабильным имеет решающее значение, ведь из теории следует, что он должен обладать свойствами сверхпроводимости при комнатных температурах. Такой материал является «Святым Граалем» для физиков, ведь он способен кардинально изменить множество существующих технологий. Например, сделать возможным магнитную левитацию высокоскоростных поездов, улучшить эффективность электромобилей или многих электронных устройств. Кроме того, проводники из такого материала могли бы транспортировать электроэнергию без потерь. Поскольку сверхпроводники имеют нулевое сопротивление, электроэнергию можно будет хранить в виде токов в сверхпроводящих катушках и использовать их, когда нужно.

 

Металлический водород может не только трансформировать жизнь людей на Земле, но и открыть эру путешествий к далеким планетам в Солнечной системе. Ведь этот материал – самое эффективное ракетное топливо из всех известных. «Чтобы получить атомный металлический водород, нужно вложить в него огромное количество энергии. – объясняет Сильвера. –Если вы снова превратите его в молекулярный водород, вся эта энергия высвобождается. Как следствие, вы получаете мощнейшее ракетное топливо из всех, которые известны человечеству. Это может революционизировать ракетную дело».

 

Показателем эффективности ракетного двигателя является удельный импульс – отношение создаваемого им импульса к расходам топлива. Удельный импульс самых эффективных на сегодняшний день ракетных двигателей составляет 450 секунд. Удельный импульс металлического водорода, в свою очередь, рассчитывают на уровне 1,700 секунд.

 

«Это позволит ракете развивать достаточную скорость для путешествий до внешних планет Солнечной системы. – говорит Сильвера. – Кроме того, мы сможем выводить на орбиту ракеты с одной ступенью, вместо сегодняшних двух, а также отправлять в космос гораздо более тяжелые грузы».

 

Чтобы получить металлический водород, ученые воспользовались самым твердым из всех известных материалов – алмазом. Два куска синтетического алмаза размером всего пять микрон (1/10 толщины волоска) подвергли дополнительной обработке, чтобы сделать их еще тверже, и расположили друг напротив друга у устройства, что называется алмазным клеточным наковальней. Именно между его элементами удалось достичь колоссального давления, трансформировал водород в металл.

 

По словам ученых, увидеть первыми металлический водород через сто лет после его теоретического предсказания было волнующим моментом. «Ранґа проводил эксперимент, и когда мы подумали, что уже близко к цели, он позвал меня и сказал “Там блеснул металл”. Мы провели дополнительные исследования, которые подтвердили, что в алмазной наковальне образовалось именно то, что мы стремились», – вспоминает Исаак Сильвера.

 

Metallic hydrogen, once theory, becomes reality

ScienceDaily, 26/01/2017

Отреферировал Евгений Ланюк

 

You Might Also Like

Loading...

Нет комментариев

Комментировать

Яндекс.Метрика