Эра суперпоездов и ракет. Зачем людям металлический водород
"Спустя почти столетие после того как появилась теория о металлическом водороде, ученые из Гарварда добились успеха в создании самого редкого и потенциально одного из самых ценных материалов на планете", - пишет PhysOrg.
Атомарный металлический водород создали профессор естественных наук Айзек Сильвера и постдокторант Ранг Диас. Создание материала - не только возможность помочь ученым в поиске ответов на фундаментальные вопросы о природе материи. Считается, что металлический водород будет иметь широкий спектр применения, в частности быть сверхпроводником при комнатной температуре.
"Это - Святой Грааль физики высоких давлений, самый первый образец металлического водорода на Земле, - говорит Сильвера. - Вы видите то, чего прежде никогда не существовало".
Чтобы создать его, Сильвера и Диас подвергли крошечный образец водорода воздействию под давлением в 495 гигапаскалей (50,4 млн т на кв. м) - больше, чем давление в центре Земли. При таком критическом давлении кристаллическая решетка твердого молекулярного водорода ломается, плотно связанные молекулы отделяются и преобразуются в атомарный водород, являющийся металлом.
"Один из очень важных прогнозов состоит в том, что металлический водород будет метастабильным", — говорит Сильвера. Это означает, что если убрать давление, водород останется металлическим. По аналогии с тем, как алмазы формируются из графита под воздействием высокой температуры и давления, но при этом остаются алмазами при снижении температуры и давления.
Понимание, стабилен ли материал, важно для возможного использования металлического водорода в качестве сверхпроводника при комнатных температурах. Сегодня не менее 15% энергии теряется во время ее передачи, поэтому использование нового материала вполне может произвести настоящую революцию. В частности, металлический водород мог бы кардинально изменить транспортную систему, сделав возможной магнитную левитацию высокоскоростных поездов и существенно повысив эффективность электромобилей, а также множества других электронных устройств.
Металлический водород мог бы способствовать усовершенствованию выработки и хранения энергии: сверхпроводники обладают нулевым сопротивлением, энергию можно хранить, поддерживая токи в катушках сверхпроводимости, а после использовать ее по необходимости.
Металлический водород мог бы сыграть ключевую роль в освоении далеких космических пространств. Сильвера отмечает, что для создания металлического водорода требуется огромное количество энергии. "Если преобразовать его назад в молекулярный водород, вся эта энергия будет высвобождена", - говорит ученый.
Энергоемкость топлива характеризуется "удельным импульсом" - мерой (в секундах) того, как быстро реактивная струя выталкивается из задней части ракеты. На сегодня у самого энергоемкого топлива в мире удельный импульс - 450 сек. Удельный импульс для металлического водорода прогнозируется в размере 1700 сек. Ученые подчеркивают, что использование металлического водорода значительно облегчило бы исследование других планет. К примеру, в космос можно было бы запускать ракеты только с одной ступенью вместо двух, также могла бы быть увеличена полезная нагрузка на космических кораблях.
Как это сделано
Чтобы создать новый материал, Сильвера и Диас использовали один из самых твердых материалов на Земле - алмаз. Для опытов ученые взяли два маленьких фрагмента тщательно отполированного синтетического алмаза. Алмазы полируются алмазным порошком, чтобы удалить углерод с поверхности.
Однако при изучении фрагментов, взятых для опытов, ученые обнаружили дефекты, которые могли бы привести к разрушению образцов при воздействии большого давления. В итоге было решено использовать реактивный процесс ионного травления - с поверхности алмазов срезали крошечный слой всего 5 микронов толщиной (приблизительно одна десятая толщины человеческого волоса).
После этого алмазы покрыли тонким слоем оксида алюминия, чтобы препятствовать проникновению водорода в их кристаллическую структуру - иначе образцы приобрели бы хрупкость.
После этого подготовленные фрагменты алмазов установили друг напротив друга в устройстве, известном как алмазный пресс.
Сильвера признается, что они не рассчитывали сразу получить результат, но им действительно удалось создать металлический водород. "Я немедленно сказал, что мы должны провести измерения, чтобы подтвердить результаты опыта. Так что мы переоборудовали лабораторию, и это случилось", — рассказывает ученый. "Это огромный успех. Даже если металлический водород существует только в этом алмазном прессе под высоким давлением, это все равно фундаментальное и революционное открытие", - говорит Сильвера. Ведь для получения материала, теория о котором появилась почти столетие назад, понадобилось более четырех десятилетий работы.
