Металлический водород

М

Рис. 1. Диаграмма состояния водорода.

еталлический водород- совокупность фаз высокого давления водорода, обладающих металлическими свойствами. Возможность перехода водорода в металлическую фазу была впервые теоретически рассмотрена Ю. Вигнером и X. Б. Хантингтоном в 1935. B дальнейшем, по мере развития методов электронной теории металлов, уравнения состояния металлической фазы водорода исследовалось теоретически. На рис. 1 приведена фазовая диаграмма, полученная путём синтеза результатов этих расчётов с экспериментальными и теоретическими данными по уравнению состояния молекулярного водорода. При атмосферном давлении и низких температурах водород существует в виде диэлектрического молекулярного кристалла, при повышении давления происходит переход в кристаллическое металлическое состояние. При этом в зависимости от температуры возможны 3 фазы металлического водорода. При температуре T = 0К и давлении Р=100-300 ГПа металлизация сопровождается перестройкой кристаллической структуры, диссоциацией молекул H₂ и металлический кристалл становится атомарным [3]. При T > 10К возможна металлизация с сохранением структуры молекулярного кристалла (пунктир; металлизация такого типа ранее наблюдалась в йоде). При дальнейшем повышении давления или температуры наступает плавление металлической фазы и образуется жидкий атомарный металлический водород.

Кристаллическая решетка твердого металлического водорода формируется ядрами водорода (протонами), находящимися друг от друга существенно ближе боровского радиуса, на расстоянии, сравнимом с длиной волны де Бройля электронов. Таким образом, электроны слабо связаны с протонами и формируют свободный электронный газ так же, как в металлах. Металлический водород обладает высокой удельной теплотой фазового перехода.

Водород в металлической фазе содержится в недрах планет-гигантов Юпитера и Сатурна. Согласно современным моделям, на Юпитере водород в молекулярной фазе присутствует только до глубин порядка 0,22 радиуса планеты [2]. На большей глубине водород в смеси с гелием образует жидкую металлическую фазу (рис. 2).

Важность получения металлического водорода связана с тем, что в нём должен сочетаться ряд уникальных свойств. Во-первых, из-за малой массы атомов аномально велика температура Дебая. Как следствие этого, температура сверхпроводящего перехода в твёрдой фазе при давлении порядка давления металлизации должна превышать 200 К, что значительно выше, чем у всех известных сверхпроводников, т.к. они одного порядка.

Во-вторых, металлический водород может существовать в виде квантовой жидкости. Малая масса атомов водорода приводит к большой величине амплитуды нулевых колебаний атомов, благодаря чему даже при Т= 0К может не происходить кристаллизация. В противоположность известным квантовым жидкостям (³He и ⁴He) плавление кристаллического металлического водорода наступает при возрастании давления. Надёжных расчётных данных о структуре и кривой плавления металлической фазы пока нет. Согласно некоторым расчётам, давление, при к-ром происходит плавление при T = 0 К, порядка давления, необходимого для металлизации, т. е. в этом случае твёрдой фазы H может не быть.

При снятии давления и обратном переходе из металлической фазы в диэлектрическую выделяется энергия ~290 МДж/кг, что в несколько раз выше, чем даёт любой известный вид топлива. Перспективы практического использования металлического водорода в качестве аккумулятора энергии зависят от того, какие условия требуются для осуществления метастабильной металлической фазы при частичном снятии внешнего давления и каково её время жизни. Кроме протия ¹H металлизация может происходить в кристаллах дейтерия ²H и трития ³H, с той лишь разницей, что квантовые свойства этих кристаллов выражены слабее, а температура сверхпроводящего перехода в них ниже

Металлический водород - возможно, получен в октябре 2011 г. в Институте химии Макса Планка (Max Planck Institute for Chemistry) в Майнце, Германия. Об этом сообщил журнал Nature Materials. Газообразный водород, сжатый под колоссальным давлением, превратился в вещество со свойствами металла. Об этом заявили сотрудники Института химии в Майнце Михаил Еремец (Mikhail Eremets) и Иван Троян (Ivan Troyan). Как отмечает в связи с достижением немецких ученых портал Science News, “даже НАСА хотело бы иметь такое вещество в качестве ракетного топлива, превышающего по мощности все остальные его виды”.

В комментарии для этого издания Михаил Еремец отметил, что “металлический водород считается в физике высоких давлений своего рода Чашей Грааля”. Для того чтобы испытать способность водорода служить проводником электричества, Еремец и Троян сжали газ при комнатной температуре между двумя алмазными наковальнями. По достижении рекордного давления, которое в два с лишним миллиона раз превышало давление земной атмосферы, водород утратил прозрачность и стал светоотражающим. Его электрическое сопротивление, то есть способность препятствовать прохождению электротока, упало при этом до одной тысячной показателя электросопротивления водорода при низких давлениях.

Столь значительное снижение сопротивления говорит о том, что газ превратился в нечто иное. Для того чтобы показать, что его новое качество может быть металлом, исследователи охладили сжатый водород с комнатной температуры до 30 кельвинов. Сопротивление слегка повысилось, но вещество оставалось электропроводным, и такое поведение вполне допустимо для экзотических металлов.

Несмотря на эти результаты, коллеги авторов не уверены в том, что получен именно водородный металл. Как говорит Уильям Неллис (William Nellis) из Гарвардского университета (Harvard University), пытавшийся в свое время сделать электропроводный водород под воздействием ударных волн, “люди и прежде думали, что сделали металлический водород, но впоследствии оказывалось, что они были неправы”. В ответ на критику Еремец заявляет о планах усовершенствовать эксперимент с высоким давлением, а сам факт оспаривания уже полученных результатов его не удивляет: “Водород привлекает такое внимание физиков, что, естественно, здесь будет много эмоций и, конечно, много претензий”