Майже через століття після теоретичного передбачення фізики з Гарварду отримали потенційно найцінніший матеріал на планеті – металевий водень. Експеримент провели фізики Томас Кебот, Ісаак Сільвера та Ранґа Діас. Його результати важливі не лише через те, що допомагають вченим знайти відповіді на фундаментальні запитання про природу матерії, але й тому, що металевий водень теоретично матиме цілий спектр практичних застосувань, зокрема як високотемпературний надпровідник. Процес отримання рідкісного матеріалу автори описали в статті, опублікованій 26 січня у Science.
Водень стиснули всередині алмазного ковадла. В умовах високого тиску атоми водню об'єднуються металевим зв'язком (справа).
Ісаак Сільвера назвав його «Святим Граалем» фізики високого тиску. «На Землі металевий водень ніколи не існував (оскільки для його синтезу потрібен колосальний тиск, вчені припускають, що він у великій кількості присутній в надрах планет-газових гігантів, – прим. пер.), тож коли ви на нього дивитесь, ви бачите те, чого раніше ніколи не було».
Щоб отримати металевий водень, науковці стиснули невеликий зразок твердого водню до 495 ГПа (50 т/мм2), що перевищує тиск в центрі Землі (361 ГПа). В умовах такого екстремального тиску у твердому молекулярному водні настає фазовий перехід, який трансформує його в атомний металевий водень.
Дослідження Кебота-Сільвера-Діаса не лише проливає світло на розуміння загальних властивостей водню, але й відкриває нові шляхи до створення матеріалів з потенційно революційними властивостями. «Важливе теоретичне передбачення щодо металевого водню полягає в тому, що він має бути стабільний і існувати в цьому стані, навіть коли ви заберете тиск. Це нагадує графіт, який за високого тиску стає алмазом і продовжує ним бути, коли усунути тиск».
Те, чи справді металевий водень є стабільним має вирішальне значення, адже з теорії випливає, що він повинен володіти властивостями надпровідності за кімнатних температур. Такий матеріал є «Святим Граалем» для фізиків, адже він здатний кардинально змінити безліч існуючих технологій. Наприклад, уможливити магнітну левітацію високошвидкісних потягів, покращити ефективність електромобілів чи багатьох електронних пристроїв. Крім того, провідники з такого матеріалу могли б транспортувати електроенергію без втрат. Оскільки надпровідники мають нульовий опір, електроенергію можна буде зберігати у вигляді струмів в надпровідникових котушках й використовувати їх, коли потрібно.
Металевий водень може не лише трансформувати життя людей на Землі, але й відкрити еру подорожей до далеких планет у Сонячній системі. Адже цей матеріал – найефективніше ракетне паливо зі всіх відомих. «Щоб отримати атомний металевий водень, потрібно вкласти у нього величезну кількість енергії, – пояснює Сільвера. –Якщо ви знову перетворите його в молекулярний водень, уся ця енергія вивільняється. Як наслідок, ви отримуєте найпотужніше ракетне паливо зі всіх, які відомі людству. Це може революціонізувати ракетну справу».
Показником ефективності ракетного двигуна є питомий імпульс – відношення створюваного ним імпульсу до витрат палива. Питомий імпульс найефективніших на сьогодні ракетних двигунів становить 450 секунд. Питомий імпульс металевого водню, своєю чергою, розраховують на рівні 1700 секунд.
«Це дозволить ракеті розвивати достатню швидкість для подорожей до зовнішніх планет Сонячної системи, – каже Сільвера. – Крім того, ми зможемо виводити на орбіту ракети лише з однією ступінню, замість сьогоднішніх двох, а також відправляти в космос набагато важчі вантажі».
Щоб отримати металевий водень, вчені скористалися найтвердішим з усіх відомих матеріалів – алмазом. Два шматки синтетичного алмазу розміром усього п’ять мікрон (¹/₁₀ товщини волосинки) піддали додатковій обробці, щоб зробити їх ще твердішими, й розташували один напроти одного у пристрої, що називається алмазним клітинним ковадлом. Саме між його елементами вдалося досягнути колосального тиску, що трансформував водень в метал.
За словами науковців, побачити першими металевий водень через сто років після його теоретичного передбачення було хвилюючим моментом. «Ранґа проводив експеримент, і коли ми подумали, що вже близько до мети, він покликав мене і сказав “Там блиснув метал”. Ми провели додаткові дослідження, які підтвердили, що в алмазному ковадлі утворилося саме те, що ми прагнули», – згадує Ісаак Сільвера.
Metallic hydrogen, once theory, becomes reality
ScienceDaily, 26.01.2017
Зреферував Євген Ланюк
31.01.2017