Ученым удалось получить металлический водород

Водород довели до.. сверхпроводимости!

Недавно двум ученым, Михаилу Еремцу и Ивану Трояну, в результате лабораторных экспериментов удалось то, чего не могли осуществить многие физики и химики — получить металлический водород. Как известно, этот элемент в подобном состоянии может проявлять свойства сверхпроводника при комнатной температуре. Поэтому открытие стало настоящей сенсацией.

Фото:

Я думаю, многие из нас еще тогда, когда учились в школе, то часто задавались вопросом — почему всем известный и нежно любимый нами водород находится в таблице Менделеева в двух группах — в I и в VII. И, наверное, те, кто задавал этот вопрос учителю химии, узнали от него, что это происходит потому, что поскольку электронный уровень 1s вмещает не более двух электронов, то атому водорода (у которого он один) в общем-то все равно — для того, чтобы достичь устойчивой электронной конфигурации, можно и приобретать чужой, и терять свой электрон .

Именно поэтому он может отдать электрон, как поступают металлы (при образовании галогеноводородов), а также перетянуть к себе чужой, как это делают неметаллы (при образовании гидридов металлов). Причем, как показывает опыт, охотнее водород все-таки отдает, нежели отбирает. Исходя из этого, логично предположить, что "в душе" он все-таки металл.

Однако не все так просто, особенно когда речь заходит о физических свойствах этого элемента. В норме, как мы помним, водород — это газ, а таковое для металлов не характерно, они в нормальных условиях чаще всего твердые вещества (и лишь иногда — жидкости). Кроме того, водород в чистом виде ведет себя как диэлектрик, а металлы в норме — проводники. Исходя из этого, большинство химиков и физиков склонны воспринимать этот газ как неметалл.

Тем не менее, некоторые ученые считают, что в особых условиях от водорода можно добиться, чтобы он вел себя так, как положено металлу. Еще в 1935 году американские исследователи Юджин Вигнер и Хиллард Хантингтон предположили, что молекулярный водород в условиях высокого давления (что-то в районе 250 000 атмосфер) должен приобретать металлические свойства. При этом, согласно расчетам, металлический водород может переходить в сверхпроводящее состояние при температуре в 200-400 К (а это от -73 до + 127 градусов Цельсия, то есть в данный диапазон попадает и комнатная температура!).

Ученые также выяснили, что металлический водород может оказаться метастабильным, то есть после снятия давления не будет сразу возвращаться в привычное состояние газа с диэлектрическими свойствами, а какое-то время побудет сверхпроводником.

Как видите, если бы людям удалось каким-то образом добыть металлический водород, то проблема создания электрических сверхпроводников, работающих при нормальных для человечества температурах, была бы решена раз и навсегда. Но вот беда — в природе таковой практически отсутствует. Правда, считается, что он может быть в достаточных количествах в верхних слоях "коры" Юпитера, где, как известно, давление весьма высоко, но ведь оттуда его не достанешь. Мы и к соседнему Марсу слетать-то никак не соберемся, чего уж про Юпитер говорить…

Именно поэтому ученые уже достаточно долгое время пытаются получить металлический водород в лабораторных условиях. Однако вопрос о том, наблюдалась ли в данных экспериментах искомая "металлизация", остается спорным — исследователи не могли представить убедительных доказательств. Более того, ряд опытов даже свидетельствовал об обратном — в недавних экспериментах, проведенных при температуре ниже 100К, было показано, что водород сохраняет молекулярное диэлектрическое состояние даже под давлением в 300 Гпа. То есть даже в таких адских условиях упрямый элемент никак не хотел становиться металлом.

Тем не менее, на днях весь научный мир потрясло известие о том, что два ученых из Химического института Макса Планка в Майнце, Михаил Еремец и Иван Троян смогли в лабораторных условиях получить долгожданный металлический водород. Как следует из статьи экспериментаторов, они использовали так называемую алмазную наковальню — установку из двух кристаллов алмаза, между остриями которых была помещена изолирующая прокладка.

В ее отверстие был помещен образец (газ в сжимаемой емкости) диаметром в ~10 и толщиной в ~2 мкм. Чтобы регистрировать сопротивление, к нему подвели тонкие (около 50 нм в диаметрое) электроды. После чего ученые стали постепенно увеличивали давление и отслеживали изменения свойств водорода. К слову сказать, все это происходило при комнатной температуре (то есть при 295 К или 22 градусах Цельсия).

По словам экспериментаторов, когда давление достигло отметки 178 ГПа, водород и изолирующая прокладка оставались прозрачными. Однако позже, при 200 ГПа образец начал темнеть, то есть стал непрозрачным (первое свидетельство его превращения в металл). При дальнейшем повышении давления, на отметке в 234 ГПа образец стал совсем непрозрачным, а при 250 ГПа и того больше — начал отражать свет (то есть заблестел, подобно большинству металлов).

Также было установлено, что давление в 220 Гпа привело к тому, что в образце появилась электропроводность, а повышение давления до 260-270 ГПа вызвало резкий рост проводимости, которая стабилизировалась на новом уровне и практически не менялась, если давление поднимали до 300 ГПа. Подобное изменение характеристик вещества физики и считают признаком перехода в металлическое состояние.

Интересно, что подобное предположение подтвердилось и во время контрольного лазерного облучения: при давлении до 260 ГПа воздействие гелий-неонового лазера на образец приводило к снижению сопротивления, а после — давало противоположный эффект (что обычно и происходит в таких условиях с металлами).

Чтобы окончательно удостовериться в том, что им удалось получить именно металлический водород, а не что-то иное, Еремец и Троян охладили образец до 30 градусов Кельвина. И хотя сопротивление немного поднялось, тем не менее электропроводность образец не потерял. так и остался проводящим. Обратное же превращение металлической фазы в молекулярный водород началось лишь тогда, когда давление снизили до 200 ГПа.

Итак, судя по всему, немецким физикам российского происхождения, Михаилу Еремцу и Ивану Трояну впервые удалось получить металлический водород. И хотя на многих коллег это открытие произвело огромное впечатление, нашлись и скептики, усомнившиеся в корректности проведения эксперимента. Они отмечают, что при данных опытах металлические электроды и эпоксидная смола могли взаимодействовать с водородом во время сдавливания и сильно исказить результаты.

А авторитетный материаловед Артур Руофф из Корнеллского университета (США) указывает на одну странность — по его мнению, весьма подозрительным кажется то, что сопротивление металлического образца при охлаждении до 30 К увеличилось аж на 20 процентов! Он отмечает, что у типичного металла в таких условиях оно должно было либо снизиться, либо показать гораздо более существенный рост.

Тем не менее, все ученые убеждены, что работа, которую провели экспериментаторы, в любом случае дала положительный результат — она вновь оживила угасший было интерес к проблеме получения металлического водорода. А это означает, что в ближайшем будущем данные эксперименты будут повторены во множестве лабораторий, что в свою очередь и покажет, удалось ли Еремцу и Трояну получить долгожданный металл из водорода или нет…

Читайте также в рубрике "Наука и техника"