Понад 80 років тому науковці передбачили, що за високого тиску гідроген може перетворитися на метал. Упродовж останніх 30 років практично всі дослідження з високим тиском намагалися втілити цю теорію в життя. А нещодавно китайські та британські фізики заявили про відкриття нового аґреґатного стану водню, стиснутого до 3,2 млн атмосфер. Це нагадує передбачення про виникнення високотемпературного надпровідника, але не є його однозначною демонстрацією, розповідають у журналі Naturе.
Затиснутий між двома діамантами водень втрачає міцні зв'язки молекул (художня ілюстрація)
Водень, або гідроген, є найлегший зі всіх елементів, за нормального тиску повітря — газоподібний. Але якщо його сильно стиснути, він стає рідким або взагалі перетворюється на твердий метал.
Британські науковці стиснули водень за кімнатної температури, при тому тиск дорівнював 3,2 млн атмосфер. Дотепер спроби стиснути гідроген за такого тиску закінчувалися невдачею. Однак цим разом спектральний аналіз засвідчив: за такого тиску руйнуються зв'язки між молекулами водню і, ймовірно, відбувається його перехід до металічного стану.
«Цією роботою ми починаємо новий розділ в історії досліджень водню», — каже Філіп Далладай-Сімпсон (Philip Dalladay-Simpson) із Центру вивчення екстремальних станів в Університеті Единбурґа. Фізик разом з колеґами піддали маленький зразок гідрогену тискові до 388 гігапаскалів (ГПа). Це стало можливим завдяки використанню діамантового ковадла, яке застосовують і в геологічному моделюванні екстремальних тисків, що є всередині Землі.
Після 325 ГПа — тиску, що відповідає 3,25 млн атмосфер, — водень потемнів. Цей ефект Далладай-Сімпсон пояснив створенням провідних електронів, які виникають під час розщеплення водневих молекул.
Проте найвагоміший доказ надала так звана раман-спектроскопія, що після лазерної стимуляції проби засвідчила зміни вібраційної характеристики молекул. Ці зміни вказують на виникнення атомарного водню. Такий новий стан водню науковці назвали фазою V, попередником металічної фази.
Проте в цьому експерименті цілком на метал водень не перетворився. Для цього, на думку дослідників, потрібен ще вищий тиск — 400 ГПа. Утім експеримент проклав дорогу для досягнення цієї мети в недалекому майбутньому.
В остаточному підсумку сподіваються не лише на вичерпні фазові діаграми водню під високим тиском. Цей вид водневих досліджень є важливим для пошуків надпровідника, що проводитиме електричний струм за кімнатної температури без опору.
До такої самої мети змагають науковці з Інституту хімії імені Макса Планка (Майнц, Німеччина). Протягом п'яти років вони піддавали водень високому тискові — до 270 ГПа. Під час експериментів вони вивели раніше невідомий стан сполуки: за тиску понад 220 ГПа гідроген поводиться як напівпровідник, після 230 ГПа — починає тверднути. Коли дослідники збільшувати тиск далі, провідність водню зростала поступово, аж поки за 270 ГПа не збільшилася в тисячу разів. У цьому науковці побачили доказ металічної фази.
Однозначного доказу металічної фази жоден експеримент не надав. Для підтвердження треба, крім електричної провідності, довести й інші металічні властивості гідрогену. Науковці з Майнца вважають: за високого тиску водень може й не ставати твердим тілом, а перетворюватися на металічну рідину, як ртуть. Вона може бути надплинною, тобто на відміну від інших рідин протікати зовсім без тертя.
Jan Oliver Löfken
Unter Hochdruck: Wann wandelt sich Wasserstoff zum Metall?
Зреферувала Соломія Кривенко
08.01.2016