Ученые впервые получили металлический водород. Что такое металлический водород? Металлический водород что как добыть

В январе научный и околонаучный мир облетела сенсационная новость: гарвардским учёным Исааку Сильвере и Ранге Диасу удалось создать стабильный образец металлического водорода – материала, обладающего уникальной высокотемпературной сверхпроводимостью. Казалось бы, до сверхъёмких накопителей энергии остался один шаг. Но в конце февраля крошечный кусочек металла таинственным образом исчез из лаборатории.

Через давление к звёздам

Возможность создания металлического водорода в лабораторных условиях будоражит учёных больше 80 лет. В 1935 году американские физики Хиллард Белл Хантингтон и Юджин Вигнер предсказали возможность фазового перехода водорода в металлическое состояние под давлением около 250 тысяч атмосфер. Практические же попытки «спрессовать» первый элемент из периодической системы элементов до состояния металла начались в 1970-е годы и продолжаются до сих пор. Объясняется это упорство просто: согласно теоретическим построениям Хантингтона – Вигнера, металлический водород обладает уникальной способностью проводить электрический ток с минимальным сопротивлением, и что ещё важнее – едва ли не при комнатной температуре.

Возможная сфера применения этого материала необычайна широка – от сверхъёмких аккумуляторов до томографов и даже поездов на магнитной подушке. Самые смелые в своих прогнозах теоретики говорят о том, что из металлического водорода можно создать ракетное топливо, которое позволит преодолевать межзвёздные пространства. Кроме того, согласно расчётам астрофизиков, металлический водород составляет значительную часть ядра у так называемых газовых гигантов – планет вроде Юпитера. Так что работая над созданием металлического водорода, учёные в лабораторных условиях получают доступ к тайнам планетарного масштаба.

Битва за металл

В последние годы учёные по всему миру неоднократно пытались сжать крошечные образцы водорода между двумя алмазными «наковальнями». При этом давление, которого удавалось добиться, превышало давление в центре Земли. Подобные эксперименты невероятно сложны и чреваты многочисленными ошибками и сбоями. Исследователи наблюдали, как прозрачный материал, помещённый под сверхмощный пресс, начинает темнеть – это означает, что электроны водорода сближаются настолько, что поглощают фотоны видимого света. Ближе всего приблизиться к цели удалось в 2011 году немецким учёным из Института химии Макса Планка в Майнце. Но создать действительно металлический блестящий водород, который бы отражал свет, никому не удавалось. По крайней мере до минувшей осени.

5 октября 2016 года Исаак Сильвера и Ранга Диас, физики из Гарвардского университета, опубликовали на сайте arXiv.org 11-страничный труд под заголовком «Наблюдение за переходом Вигнера – Хантингтона к твёрдому металлическому водороду» (Observation of the Wigner-Huntington Transition to Solid Metallic Hydrogen). 26 января 2017 года расширенная версия доклада была опубликована на сайте знаменитого журнала Science, и именно эта публикация вызвала настоящий ажиотаж в научных кругах.

Диас и Сильвера утверждали, что им удалось сжать водород под таким давлением, которого до сих пор не достигал никто. Для этого учёные отполировали обе части алмазной наковальни, с тем чтобы избежать возможных трещин, укрепили их оксидом алюминия, взяли крошечный образец водорода, поместили всю эту конструкцию в криостат и довели температуру в нём до абсолютного нуля (-273 °С). В этих условиях они сжали крошечную частицу водорода под давлением 495 гигапаскаль, что почти в 5 млн раз превышает земное атмосферное давление.

«Мы взглянули на образец через микроскоп и увидели, что он отражает свет, блестит, как и должен металлический водород», – заявил Сильвера журналистам.

Сделанные под микроскопом снимки показывают превращение водорода в блестящую металлическую субстанцию

Червь сомнени й

Научное сообщество отреагировало немедленно. 27 января на сайте журнала Nature вышла публикация , в которой сразу пять крупных международных специалистов выразили сомнение в убедительности результатов Сильверы и Диаса.

Геофизик Александр Гончаров из Института Карнеги в Вашингтоне отметил, что блеск, который учёные увидели в микроскопе, не подтверждает того, что им удалось преобразовать водород в металл. Этим блестящим материалом вполне мог быть и оксид алюминия, покрывавший кончики бриллиантов «наковальни».

Физик Евгений Григорянц из Университета Эдинбурга был ещё более категоричен. «Всё это выдумка от начала и до конца, – сказал он. – Проблема в том, что они зафиксировали состояние вещества под максимальным давлением, но не весь процесс фазового перехода».
По мнению Поля Лубера из французского Комиссариата по атомной энергии, статья Сильверы и Диаса неубедительна. «Если они действительно хотят быть убедительными, они должны повторить эксперимент, фиксируя преобразование материала под усиливающимся давлением», – подчеркнул учёный.

Косвенно в защиту гарвардских физиков выступил главный редактор Science Джереми Берг. Не комментируя их доклад по существу, он отметил, что все присылаемые в редакцию рукописи проходят самую тщательную проверку, при этом публикуется не более 7% из них.

Тем временем Сильвера и Диас защищали своё открытие как могли.

Однако в конце февраля учёные выступили с ошеломляющим заявлением. Они рассказали, что в ходе очередного эксперимента один из алмазов наковальни разрушился, а сам образец металлического водорода исчез. «Возможно, он куда-то закатился или попросту снова превратился в газ», – растерянно сообщил Сильвера.

Куда-нибудь «закатиться» образец действительно мог, учитывая, что его диаметр составляет около 10 микрометров – в 5 раз меньше диаметра человеческого волоса. Если же он испарился, скорее всего, это значит, что учёным так и не удалось превратить газ в металл. Иными словами, мечта о металлическом водороде так и осталась лишь мечтой.

) В январе этого года в журнале Science была опубликована статья сотрудников Гарвардского университета Ранга Диаса (Ranga Dias) и Исаака Сильверы (Isaac Silvera), в которой сообщается о получении металлического водорода. Статья вызвала большой резонанс в средствах массовой информации, поскольку металлический водород был давней мечтой твердотельщиков. Во-первых, он очень интересен как фундаментальное физическое явление. Во-вторых, он должен образовываться в недрах планет-гигантов. В-третьих, он привлекает широкий общественный интерес благодаря предсказаниям о его возможной метастабильности и высокотемпературной сверхпроводимости. Чтобы разобраться в том, что реально произошло, мы обратились за комментариями к директору Института физики высоких давлений им. Л. Ф. Верещагина, академику РАН Вадиму Бражкину . Вопросы задавал Борис Штерн .

— Передо мной фазовая диаграмма водорода, сделанная годы назад. На ней уверенной рукой проведена условная граница между твердым молекулярным и металлическим атомарным водородом, где-то на двух мегабарах, выше при больших температурах — фаза жидкого металлического водорода. Значит ли это, что данная фазовая диаграмма хорошо считается и все фазы были известны давно?

— Нет, относительно хорошо просчитано до одного мегабара и намного выше десяти мегабар. А как раз в той области, где ожидается фазовый переход, при нескольких мегабарах, считается плохо. Предсказания много раз менялись. Совсем давно это было 200 килобар, потом предполагаемое давление металлизации выросло до мегабара, потом у кого-то получалось десять, у кого-то — три. В этой области действительно трудно считать — нет малого параметра. Проблема в том, что в данном случае размер иона практически нулевой, это протон, а плотность электронов сильно неоднородна. Это практически единственный такой дурацкий металл, который не считается. Ту т даже непонятно, будет ли вблизи перехода структура кристаллической, или это будет жидкость.

— Но сейчас на компьютерах перемалывают достаточно тяжелые задачи без всяких малых параметров. На каком уровне находятся численные модели для металлического водорода?

— Как раз они сейчас в основном и работают. Это первопринципный счет на суперкомпьютерах для нескольких сотен атомов. Сузить область предсказанной металлизации и возможного поведения кривой плавления водорода удалось, но значительный разброс предсказаний в данных различных групп тем не менее остался. Фазовая диаграмма водорода, соответствующая современным представлениям. По горизонтальной оси — давление в гигапаскалях (100 ГПа примерно равны одному мегабару). Красная линия отделяет твердый водород от жидкого. Изображение из статьи Dias R. P. et al., Science 10.1126/science.aal1579 (2017) — Да, на фазовой диаграмме, которая у меня перед глазами, выше по температуре — область жидкого металлического водорода. И она наступает даже при более низких давлениях, чем твердая металлическая фаза. Это соответствует современным представлениям?

— Да, конечно, корректно отличить диэлектрическую от металлической фазы можно только при низкой температуре, но были намеки на то, что при высокой температуре высокая проводимость наступает раньше по давлению. Это было подтверждено еще в середине 1990-х — сначала Биллом Неллисом (Bill Nellis), потом Владимиром Фортовым — в ударных волнах при давлении около полутора миллионов атмосфер водород начинает проводить примерно как металлический натрий. Правда, здесь могут быть возражения, что это происходит за счет ионизации, а не из-за перехода в металлическую фазу. Такой спор идет. Но, в принципе, в области высоких температур от 2 до 5 тыс. градусов во многих экспериментах в районе от 1 до 3 мегабар наблюдались признаки перехода в металлическую фазу — и в ударных волнах, и в статических экспериментах с лазерным нагревом. Это известный факт.

— Правильно ли я понимаю, что в ударных волнах сложно отличить металлическую проводимость от плазменной?

— Не то чтобы трудно отличить, это скорее одно и то же — при высокой температуре они перемешаны, так что тут больше вопрос терминологии. Если Неллису хотелось получить Нобелевскую премию, то он трактовал это как жидкий металлический водород. На самом деле с точки зрения планетологии важнее как раз жидкая фаза — именно она существует в недрах планет, где температура высока. Именно жидкий металлический водород в недрах Юпитера и Сатурна создает магнитное поле. Хотя с точки зрения классических твердотельщиков это какая-то скучная плазма, ионизация. С их точки зрения главное — найти переход вблизи нулевой температуры.

— Об истории. Когда появилась идея, что должен существовать металлический водород?

— Первая статья — 1935 год. Юджин Вигнер (Eugene Wigner) и Хиллард Белл Хантингтон (Hillard Bell Huntington).

— Когда была первая попытка получить металлический водород? Это не Леонид Верещагин в вашем институте?

— Это не первая попытка, а первое заявление об успешном эксперименте. Тут следующие проблемы. Водород сильно портит алмазные наковальни, проникая в них. Металл можно сжать до четырех мегабар, а водород — выше двух ни у кого не получалось. Исторически первое заявление об успехе было сделано, действительно, Верещагиным. Там была следующая схема: алмазная игла плюс алмазная плоскость, причем брались проводящие алмазы с металлом. Игла плохо контролировалась. Размер острия — порядка микрона. Если посмотреть в микроскоп, то острие — куча зубчиков. Наблюдалось сопротивление через пленку твердого водорода между иглой и плоскостью. Когда сжимали, сопротивление падало, когда отпускали — восстанавливалось. Но потом группа Сергея Стишова в Институте кристаллографии и американцы продемонстрировали, что такое же происходит, когда давят, например, иглой из твердого сплава через бумагу, что это связано не с металлизацией, а с эффектом прокола.

Потом все перешли на плоские алмазные наковальни, где можно смотреть оптику, куда можно пытаться заводить электроды. Проблема разрушения наковален выше двух мегабар осталась. Решили давить при низких температурах — гелиевой, азотной, тогда подавляется диффузия водорода. Так можно пройти до трех с половиной мегабар.

— Но вот я смотрю уже на современную фазовую диаграмму — там обозначен фазовый переход ниже трех мегабар.

— Эти фазы — I, II, III, не металлы. В процессе экспериментов люди обнаружили эту фазу III, которая оказалась черной — это полупроводник. А до металла никак не доходили. Теоретики загнали фазовый переход в интервал между 4,5 и 6 мегабарами. Наш Михаил Еремец решил идти выше по температуре на диаграмме — там, где фазы IV и V. Он покрыл алмазные наковальни тонкой пленкой металла, чтобы их защитить, и тогда можно давить до трех мегабар при комнатной температуре. У него получились скачки сопротивления — вроде как металлизация. Но величины сопротивления получились большими — килоомы, а не миллиомы, как должно быть. Сейчас сложился консенсус, что фаза IV или V — какая-то из них является узкощелевым полупроводником, но ещене металлом. Причем эта фаза частично атомарная, частично молекулярная. Потом все решили повторять Еремца, и сейчас группа Григорянца (они, пожалуй, стали лидерами в этой области при повышенных температурах) работает между тремя и четырьмя мегабарами, где красный пунктир на диаграмме. Проблема в том, что рентгеноструктурный анализ здесь не работает, дифракция нейтронов — тоже (слишком тонкий образец). Остается лишь рамановская спектроскопия. И у них появляется то один, то другой пичок — вот одна фаза, вот вторая, а что это такое, какая у них структура — никто не знает. Ну, и еще следят за самым высокочастотным пиком — это внутримолекулярный виброн — его наличие означает, что водород еще молекулярный, а не атомарный.

— Это предыстория. Что радикально нового произошло сейчас?

— Это новая статья Диаса и Сильверы, опубликованная в Science . До этого года все упирались в эти четыре мегабара. Сильвера вернулся в низкие температуры и заявил, что смог пробиться к пяти мегабарам. По его словам, это удалось благодаря более тщательной полировке алмаза — обработке с атомарной точностью. Они убирали ионными пучками неровности в несколько атомных слоев. Так им удалось пройти до 5 мегабар, и они увидели, что на 4,9 мегабара водород начал отражать свет. До этого он был черным, а выше 4,9 мегабара стал отражать свет. Коэффициент отражения выше 90%.

— Минутку, как это фиксируется? Они смотрят сквозь алмазные наковальни?

— Да. На фотографии видно, как это происходит. Этот эллипс — твердый водород диаметром девять микрон и толщиной в микрон. При малом давлении он был прозрачным, потом стал черным, а при пяти мегабарах стал отражать свет. Спектр отражения у них есть во всемвидимом диапазоне. Он согласуется со спектром отражения нормального металла. Хотя никто не знает, твердый он или жидкий, никто не знает, какая у него структура, но он отражает.
Фотографии водорода при разном давлении. Образец освещался светодиодами с двух сторон. Слева — 205 ГПа (образец прозрачен, виден задний светодиод), в центре — 415 ГПа (образец почернел и стал непрозрачен, справа вверху — гало от несфокусированного светодиода, светлое кольцо — рениевая прокладка), справа — 495 ГПа — образец стал отражать. Центральное пятно, водород, отражает заметно больше, чем рениевое кольцо. Фото из статьи Dias R. P. et al., Science 10.1126/science.aal1579 (2017) Конечно, поскольку сейчас в этой области большая гонка, то почти все группы заявили протест, дескать, всё это ерунда, поскольку у них алмазы ничуть не хуже. Говорят, что надо разбираться, что, может быть, это отразился кусок металлической прокладки, притом узкощелевые проводники тоже неплохо отражают. В общем, надо доказать, что это металл. Либо кто-то, например Еремец или Шимицу, изловчится и засунет туда электроды и измерит сопротивление аккуратно, либо тот же Сильвера или кто-то еще повторит этот опыт и снимет спектр начиная с дальнего инфракрасного диапазона. Дело в том, что отражение в видимом свете слабо убеждает физиков, что это металл, а если это широкий диапазон, тогда это действительно аргумент. Наконец, если это сверхпроводник, то можно посмотреть эффект Мейснера, есть резонансные методы — такие образцы на наковальнях вполне измеримы на сверхпроводимость. Таково состояние дел. Сейчас будут повторять эксперимент, в том числе и сам Сильвера. А пока есть факт сильно отражающего водорода, опубликованный в Science, где три рецензента.

— Как насчет использования металлического водорода в народном хозяйстве? Говорят, что он, возможно, метастабилен, говорят про высокотемпературную сверхпроводимость. Это хоть в какой-то степени серьезно?

— Это скорее пиар. Даже Сильвера считает, что вряд ли. Структура неизвестна — рентген здесь не снимешь. А для большинства теоретических структур, которые получают на численных моделях, нет динамической устойчивости при нормальных давлениях, т. е. при снятии давления они должны разрушаться. Хотя формально исключить этого нельзя — мало ли какая еще структура может там оказаться. Но опять же, если структура выживет при нормальном давлении и гелиевых температурах, это не значит, что мы можем ее нагреть, — таких примеров нет. Так что это в основном пиар. Хотя задача чрезвычайно интересна с фундаментальной точки зрения. Например, говорят о том, что это может быть одновременно сверхпроводящая и сверхтекучая жидкость. Если же рассуждать о практике, то тут скорее могут пригодиться сильно богатые водородом гидриды. Под давлением стабилизируются многие гидриды типа (металл)Н 8 , например. Многие из них, видимо, могут быть метастабильными при нормальном давлении и тоже иметь уникальные свойства.

— Но в астрофизике металлический водород так и так важен. Тоже своего рода «народное хозяйство». Еще вопрос по поводу структуры. Рентгеном ее снять не удается потому, что образец слишком тонок?

— Даже если бы он был побольше — у него всего один электрон, у бедного. Всё, что легче углерода, — с трудом поддается исследованию рентгеном для образцов микронного размера. В принципе, можно было бы снять нейтронами в случае дейтерия (но тогда образец должен быть больше хотя бы раз в десять) либо очень мощным рентгеном на монокристалле водорода — так уже делалось до одного мегабара, но тоже для образцов в десять раз больше…

Вадим Бражкин
Беседовал Борис Штерн

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.

Экология потребления.Наука и техника: Новый материал может совершить революцию в ракетостроении и сверхпроводниковой отрасли, однако пока он получен лишь в очень малом количестве.

Исследователи из Гарвардского университета (США) впервые смогли получить в лаборатории металлический водород при низких температурах. Для этого им пришлось создать давление, выше, чем в центре Земли. Хотя металлический водород был предсказан почти столетие тому назад, исключительные трудности на пути получения этого материала долгое время делали его получение в твердой форме недостижимой мечтой.

Теоретики ещё в первой половине XX века показали, что обычный водород, существующий в виде двухатомных молекул, при росте давления постепенно потеряет молекулярную структуру. Его молекулы просто развалятся, образовав гораздо более плотно упакованный атомарный водород в твёрдой фазе.

Этот материал, широко распространённый в недрах Юпитера, обладает рядом уникальных свойств, которые делают его крайне многообещающим. По расчётам, он должен быть хорошим проводником - возможно, даже сверхпроводником. А, например, при плавлении металлического водорода должно выделяться в 21 раз больше энергии, чем при сжигании килограмма того же водорода в кислороде. В теории это делает его отличным ракетным топливом, на базе которого можно строить одноступенчатые ракеты и выводить в космос большую полезную нагрузку на ракете умеренных размеров.

Но, чтобы сделать всё это, нужно сперва получить такой водород. На протяжении длительного времени создать нужное для его получения давление удавалось только с помощью алмазных наковален с лазерным нагревом и уплотнением. Температура в таких наковальнях часто измерялась тысячами градусов - даже получив в них металлический водород, исследователи через миллисекунду тут же его теряли. Замерить его металлические свойства при низкой температуре достоверно не удавалось.

В этот раз учёные оптимизировали алмазную наковальню таким образом, чтобы получить металлический водород именно при малых температурах. Наковальня состоит из двух синтетических алмазов конической формы. Чтобы убрать дефекты в алмазах (избежать растрескивания при росте давления), их отполировали алмазной крошкой. Кроме того, их покрыли слоем глинозёма. С его помощью удалось блокировать диффузию водорода при высоких давлениях внутрь алмазов наковальни.

Диффундирующий водород быстро создаёт в алмазах дефекты, делающие их хрупкими, и дальнейшее сжатие водорода приводит к их разрушению. После модификации ячейку с алмазной наковальней использовали для получения металлического водорода при температуре 5,5 кельвина и давлении в 495 гигапаскалей. Это почти в пять миллионов раз выше атмосферного. 5,5 кельвина - рекордно низкая температура для такого давления. Спектроскопический анализ показал, что водород в новом материале находится в атомарном состоянии, а его плотность соответствует металлическому водороду.

Пока водород удалось получить в очень малых количествах, с помощью которых достоверно удалось прояснить лишь наличие у него свойств металла и высокой отражательный способности - он отражал порядка 0,91 от падавшего на него электромагнитного излучения. Однако в будущем исследователи надеются добиться получения достаточно больших количеств этого материала. В значимых количествах он должен быть метастабилен, как алмаз. Это значит, что хотя для его получения и требуется очень большое давление, однажды возникнув металлический водород остается стабильным даже в обычных условиях - при комнатной температуре и атмосферном давлении. Связано это с тем, что энергия, требующаяся для разрушения связей в таком материале столь велика, что в нормальных условиях такой переход не случится.

Ряд работ предсказываю т у металлического водорода сверхпроводимость при комнатной температуре. На сегодня таких сверхпроводников получить ещё не удалось.

Металлический водород при получении требует больших затрат энергии, и при его переходе в фазу газообразного (обычного) водорода эта энергия быстро высвобождается. В случае его применения в ракетных двигателях он может дать удельный импульс в 1700 секунд. Современные лучшие виды ракетного топлива дают цифры в районе 400 секунд. К тому же металлический водород в силу его метастабильности не потребует криогенных баков и не будет быстро утекать через их стенки в космосе (это ограничивает использование жидкого водорода в ракетах). С таким твёрдым топливом в теории можно создать одноступенчатые ракеты большой грузоподъёмности при умеренных затратах. В NASA его рассматривают как фактор, способный резко изменить расстановку сил в космической индустрии. Проверить, так это или нет возможно только на практике - после улучшения существующих методов его наработки. опубликовано

Фотографии твердого водорода при давлении 2,05 миллиона атмосфер (a, образец прозрачный и свет проходит сквозь него), 4,15 миллиона атмосфер (b, образец непрозрачный, не отражает свет), 4,95 миллиона атмосфер (с, образец непрозрачный, отражает свет).

Физики из Гарвардского университета впервые синтезировали металлический водород. Чтобы добиться этого, ученые сжали водород в алмазной наковальне под давлением почти в 5 миллионов атмосфер и охладили до 5,5 кельвина. Теоретики предсказывают , что материал может оказаться комнатнотемпературным сверхпроводником, а также обладать рядом других необычных свойств. Независимые эксперты подвергают открытие сомнению. Исследование опубликовано в журнале Science (препринт работы), его обзор приводит журнал Nature .

Водород - самый распространенный элемент во Вселенной. В обычных условиях он существует в виде бесцветного газа, каждая частица которого состоит из двух атомов водорода. Если сжать обычный водород давлениями в тысячи атмосфер, то можно получить его сначала в жидком, а потом и в твердом виде - прозрачного, не проводящего электричество материала. В 1935 году физики Вигнер и Хантингтон теоретически предсказали , что дополнительно увеличив давление можно заставить водород перейти в металлическое состояние.

Этот материал привлек к себе внимание экспериментаторов благодаря своим необычным свойствам - с одной стороны, теоретики предсказывают ему сверхпроводимость при температурах близких к комнатной. С другой стороны, в виде металлической фазы водород запасает огромную энергию и его удобно хранить - это свойство важно для ракетостроения. Попытки синтеза материала начались во второй половине XX века, но до сих пор нельзя с уверенностью сказать, что он был получен.

Фазовая диаграмма водорода. Твердый металлический водород внизу справа.

Ranga P. Dias, Isaac F. Silvera / Science, 2017

Одна из важных проблем синтеза металлического водорода - высокие давления, необходимые для фазового перехода. Вигнер и Хантингтон предсказали, что молекулярный двухатомный водород должен превращаться в металлический одноатомный водород при давлениях около 250 тысяч атмосфер и низких температурах. Это примерно в 250 раз больше, чем давление на дне Марианской впадины. Однако эксперименты показали, что эта оценка не соответствует действительности. Современные исследования предсказывают величину давления фазового перехода в 4-5 миллионов атмосфер - это эквивалентно давлению, которое оказывает объект с массой слона, стоящий на игле с площадью поверхности острия меньше квадратного миллиметра.

Авторы новой работы утверждают, что смогли синтезировать твердый металлический водород с помощью алмазной наковальни, создававшей давление в 4,95 миллиона атмосфер в охлаждаемой жидким гелием ячейке. Этот прибор представляет собой пару высококачественных алмазов, с плоскими отшлифованными гранями наковальни. Их сжимают, вкручивая длинные стальные винты.

Схема эксперимента

R. Dias and I.F. Silvera

Ранее гарвардский коллектив ученых уже предпринимал попытки синтеза металлического водорода - в ходе экспериментов физики выяснили несколько проблем, осложняющих достижение больших давлений. В первую очередь водород способен проникать в алмаз и делать его более хрупким. С ростом давлений это приводит к разрушению «наковальни». Во-вторых, лазерное излучение, используемое для мониторинга состояния ячейки, также может привести к разрушению алмаза (например, инфракрасное излучение способно превратить алмаз в графит). Чтобы избежать этих сложностей авторы модифицировали традиционный эксперимент.

Физики покрыли алмазные поверхности аморфным оксидом алюминия (толщиной 50 нанометров), для предотвращения диффузии водорода. Кроме того, использование лазерного излучения в эксперименте было минимизировано - оценка давлений делалась на основе количества оборотов винта.

Ученые следили за изменениями в образце с помощью микроскопа. При двух миллионах атмосфер водород был прозрачным твердым веществом. При 4,15 миллиона атмосфер образец потемнел и перестал пропускать свет. При давлении 4,95 миллиона атмосфер авторы обнаружили, что образец стал красноватым и начал хорошо отражать свет. Из спектральных данных физики определили, что в твердом водороде возникла большая концентрация свободных носителей заряда (7,7±1,1×10 23 частиц на кубический сантиметр) - в десятки раз больше чем у лития, натрия или калия (щелочных металлов). По словам ученых, это подтверждает металлическую природу материала.

Независимые эксперты, также участвующие в «гонке» синтеза металлического водорода, сомневаются в надежности работы. Во-первых, эксперимент по синтезу металлического водорода был поставлен лишь один раз и не воспроизводился. Во-вторых, свою роль могло сыграть покрытие из оксида алюминия - нет уверенности, что материал не восстановился до металлического алюминия. Евгений Грегорянц, год назад фазу-предшественник металлического водорода, также отмечает, что детальные измерения состояния ячейки были сделаны лишь при пиковых значениях давлений. На их основании нельзя надежно судить о достигнутом давлении, как и на основе количества оборотов винта.

Убедить экспертов может повторение эксперимента и дополнительные тесты. По словам Айзека Сильвера, соавтора работы, решение опубликовать статью с ограниченным количеством подтверждающих тестов было связано с тем, что образец может разрушиться при дальнейшей работе с ним. Сейчас, когда исследование опубликовано, физики планируют провести анализ рамановского рассеяния на металлическом водороде и другие тесты.

Это не первое заявление ученых о синтезе металлического водорода. В июле 2016 года группа исследователей под руководством Айзека Сильвера о синтезе жидкого металлического водорода (и также подверглась критике). В 2011 году о синтезе материала заявляли Михаил Еремец и Иван Троян из Химического института общества Макса Планка, однако, по словам химиков, надежных подтверждений до сих пор получено не было. Считается, что встретить жидкий металлический водород можно, например, в недрах Юпитера.

Владимир Королёв