Металлический водород

[pkl]

Металлический водород: мечты или реальность?
Джонатан Эймос

отдел науки Би-би-си


Ранга Диас перед установкой алмазного пресса сверхвысокого давления

Ученые из Гарвардского университета сообщили, что им впервые удалось трансформировать водород в металлообразное состояние.
Если это правда - а на этот счет есть сомнения - такое достижение станет венцом продолжавшихся более 80 лет попыток создать самый экзотический материал в природе.
В теории металлический водород может быть использован для создания проводов с нулевым сопротивлением и новых видов ракетного топлива.

Ученые из Гарвардского университета Ранга Диас и Айзек Силвера опубликовали результаты своих экспериментов в журнале Science.
"Впервые в истории планеты Земля создан твердый металлический водород", - сообщил профессор Силвера корреспонденту Би-би-си.
По словам ученых, им пока удалось получить небольшое количество металлического водорода, но со временем, считают они, могут быть найдены способы увеличения производства этого материала.
Метод заключался в сжатии емкости, содержащей небольшое количество молекулярного водорода, между двумя искусственными алмазами, в условиях экстремально высокого давления и сверхнизкой температуры
Под алмазным прессом им удалось достичь давления в 495 гигапаскалей. Это эквивалентно примерно 5 миллионам атмосфер. Алмазные тиски также охлаждались до температуры минус 270 градусов по Цельсию.
Целью эксперимента было добиться настолько тесного сближения атомов водорода, чтобы они образовали кристаллическую решетку и стали обмениваться электронами, что свойственно металлам.
Авторы статьи пишут, что материал в тисках приобрел блестящую поверхность, что свидетельствовало об изменении его атомной структуры. "Далее с ростом давления материал стал черным, и мы полагаем, что это произошло потому, что он стал полупроводником, способным поглощать свет", - говорит профессор Силвера.
"Затем мы еще более увеличили давление, и материал стал блестящим. Это было очень захватывающее зрелище. Отражательная способность его была чрезвычайно высокой, около 90%. Это примерно равно отражающей способности полированного алюминия", - сказал ученый.



SCIENCE PHOTO LIBRARY

У металлов атомы упакованы очень плотно и обмениваются электронами
Однако следует отметить, что известие из Гарварда вызвало немало скептических отзывов среди ученых. Среди них есть специалисты, работающие в той же или схожих областях. Они заявляют, что в опубликованной статье содержится слишком мало данных, которые могли бы подтвердить реальность этого достижения.
"Полная ерунда, - заявил Юджин Грегорьянц из Эдинбургского университета. - Как и все, кто работает с водородом под высоким давлением, я поражен тем, что публикуется в журнале Science".
Впрочем, такое сопротивление является естественным. Если открытие подтвердится, оно станет одним из самых выдающихся достижений прикладной физики за последние десятилетия.
Металлическое состояние водорода было предсказано более 80 лет назад, и с тех пор ученые пытаются получить его на практике. Ценность этого материала связана с его поразительными свойствами.
Например, высказываются предположения о метастабильности металлического водорода. Это означает, что даже при возвращении его в условия нормальной температуры и давления он будет сохранять свои свойства.
Некоторые ученые считают также, что он будет сверхпроводящим металлом даже при комнатной температуре, что приведет к революции в области передачи и хранения электроэнергии.



NASA

Металлический водород мог бы стать уникальным ракетным топливом
Американское аэрокосмическое агентство НАСА также проявляет интерес к материалу. Уже сейчас жидкий водород используется в качестве весьма энергоёмкого ракетного топлива, однако его металлическая форма может стать новым видом топлива, способным создавать гигантскую тягу и выводить на орбиту более массивные грузы.
"Я знаю, что многие специалисты в области высоких давлений высказывают свои сомнения, указывая, что высокая отражательная способность может объясняться присутствием загрязнений в составе алмазов, например, окиси алюминия. Однако если им действительно удалось достичь давления почти в 500 гигапаскалей в алмазном прессе, можно ожидать перехода в металлическое состояние водорода", - заявил исследователь Маркус Кнудсон из Национальных лабораторий Сандии.
С ним в целом согласен Джеффри Макмахон из университета штата Вашингтон.
"Что касается микроскопического количества полученного материала - такого рода эксперименты всегда проводятся в небольших алмазных прессах. Тут предстоит решать две проблемы. Во-первых, попытаться получить одновременно большее количество материала; во-вторых, что будет намного сложнее, убедиться, что материал сохраняет свои свойства после снятия давления", - говорит американский ученый.
"Ответ на второй вопрос остается открытым", - считает он.

 http://www.bbc.com/russian/features-38771987

вчера в 16:18
Ученым из Гарварда удалось получить металлический водород



Изображение алмазных наковален, сжимающих образец молекулярного водорода. При высоком давлении водород переходит в атомарное состояние, как показано справа. Источник: Dias & Silvera, 2017

В 1935 году учёные Юджин Вигнер и Бэлл Хантингтон предсказали возможность перевода водорода в металлическое состояние под воздействием огромного давления — 250 тысяч атмосфер. Немного позже эта точка зрения была пересмотрена, специалисты повысили оценку давления, которое требуется для фазового перехода. Все это время условия перехода считались достижимыми, и ученые пробовали «взять планку», необходимую для перехода водорода в новую фазу. Впервые металлический водород пытались получить в 1970-х. Повторные попытки были предприняты в 1996, 2008 и 2011 году. Ранее сообщалось, что в 1996 году ученым из Германии удалось на долю микросекунды перевести водород в металлическое состояние, хотя не все согласны с этим.

Что касается давления, необходимого для получения металлического водорода, то с развитием квантовой механики и физики вообще стало понятно, что давление должно быть примерно в 20 раз более высоким, чем считалось ранее — не 25 ГПа, а 400 или даже 500 ГПа. Считается, что большие количества металлического водорода присутствуют в ядрах планет-гигантов — Юпитера, Сатурна и крупных внесолнечных планет. Благодаря гравитационному сжатию под газовым слоем должно находиться ядро из металлического водорода. Понятно, что для того, чтобы получить гигантское давление, нужны особые технологии и методы. Добиться желаемого получилось благодаря использованию двух алмазных наковален. 

Прочность наковальни была усилена напылением из оксида алюминия, которое оказалось непроницаемым для атомов водорода. Образец водорода был сжат между заостренными концами двух алмазных наковален и при давлении в 495 ГПа ученые добились перехода образца в металлическую фазу. 



Источник: Dias & Silvera, 2017

Во всяком случае, образец сначала потемнел, а затем стал отражать свет. При относительно низких показателях давления образец был непрозрачным, ток он не проводил. Эксперимент, проведенный Исааком Силвера (Isaac Silvera) и Ранга Диас (Ranga Dias), был повторным. Впервые добиться перехода водорода в металлическую фазу ученым удалось в середине 2016 года. Но результаты эксперимента нуждались в подтверждении, повторном опыте. Поскольку результаты изначального опыта подтвердились, их можно считать корректными. 

К текущему результату ученые шли несколько лет. Только на то, чтобы достичь давления, при котором водород разбивается на индивидуальные атомы, у Силвера и Диас ушло три года. Давление, о котором идет речь — 380 ГПа. 

После этого увеличение давления подразумевало необходимость усиления прочности алмазных наковален, которые использовались в эксперименте. Для этого стали напылять тончайшую пленку из оксида алюминия. Без усиления прочности алмазы, которые являются наиболее твердыми минералами на Земле, начинают разрушаться при увеличении давления выше показателя в 400 ГПа. 

Учеными была проделана большая работа по изучению алмазов. Причин разрушения могло быть несколько — от дефектов структуры кристалла до влияния самого сжатого до огромной плотности водорода. Для того, чтобы решить первую проблему, специалисты тщательным образом проверяли структур кристалла под микроскопом с большим увеличением. «Когда мы просмотрели на алмаз под микроскопом, мы обнаружили дефекты, которые делают этот минерал уязвимым к внешним факторам», — заявил Силвера. Вторая проблема была решена при помощи напыления, противодействующего утечке атомов и молекул водорода. 

Пока что сложно сказать, какую форму металла получили англичане — твердую или жидкую. Сами они затрудняются сказать, хотя считают, что водород перешел в фазу жидкого металла, поскольку это предсказано расчетами. В чем они уверены, так это в том, что образец водорода после сжатия стал в 15 раз более плотным, чем до начала этой процедуры. Температура водорода, который поместили в алмазную наковальню, составила 15К. После перехода элемента в металлическую фазу его нагрели до 83 К, и он сохранил свои металлические свойства. Расчеты показывают, что металлический водород может быть метастабильным, то есть сохранять свои свойства даже после того, как внешние факторы, которые привели к переходу элемента в металлическую фазу, будут ослаблены. 

Зачем человеку металлический водород? Считается, что в таком состоянии он проявляет свойства высокотемпературного сверхпроводника. Кроме того, метастабильные соединения металлического водорода могут использоваться в качестве компактного, эффективного и чистого ракетного топлива. Так, при переходе металлического водорода в молекулярную фазу высвобождается примерно в 20 раз больше энергии, чем при сжигании килограмма смеси кислорода и водорода — 216 Мдж/кг.

«Для получения металлического водорода нам понадобилось огромное количество энергии. А если вы снова переведете атомарный металлический водород в молекулярное состояние, вся эта энергия высвободится, так что мы можем получить самое мощное ракетное топливо в мире, что совершит революцию в ракетостроении», — заявили авторы исследования. По их мнению, новое топливо, при условии его использования, позволит легко достичь других планет. Времени на путешествие к ним будет затрачено гораздо меньше, чем в настоящее время, с использованием современных технологий. 

DOI: 10.1126/science.aal1579

 https://geektimes.ru/post/285212/

Вот такая новость. Сначала прочитал на Гиктаймс и глазам не поверил. Полез в компьютер проверять, нашёл сообщение Би-Би-Си. Если это не утка, и не ошибка... Значимость этого открытия, надеюсь, все представляют?

Ну, что думают на сей счёт уважаемые кроты? Особенно насчёт сохранения его свойств в нормальных условиях.

[Юрий Темников]

pkl пишет:
Вот такая новость. Сначала прочитал на Гиктаймс и глазам не поверил. Полез в компьютер проверять, нашёл сообщение Би-Би-Си. Если это не утка, и не ошибка... Значимость этого открытия, надеюсь, все представляют?
               
                  

Вопросов два?:Сохранится ли полученное состояние водорода в т н Н У.Ну и экономика данного процесса?

[pkl]

В первую очередь - сохранение свойств при снятии давления. Температура 83К мы поддерживать можем. Экономика - это уже второй вопрос. Всяко проще, чем антивещество. Конечно, может получиться как с атомарным, но это ещё надо узнать.

[Юрий Темников]

Вполне может получиться супервзрывчатка по суперцене!!Этого нам только не хватало!! НО Для вояк достаточно.

[pkl]

Может. Я вот об этом тоже подумал, но не стал говорить вслух. К слову, неплохая замена ядерным зарядам сверхмалой мощности может получиться. Так что не исключено, что первыми начнут его производить для вояк.

[SGS_67]

pkl пишет: 
Значимость этого открытия, надеюсь, все представляют?

Не все.
В чём же оно заключается?

[Сергей Капустин]

я не занимаюсь физикой высоких давлений, но...

1. смотрели не только по блеску - смотрели по числу свободных носителей заряда. Поэтому вероятность того, что это действительно металлический водород немного выше.

2. теоретические модели - для которых нет экспериментов, от которых можно оттолкнуться - очень часто основаны на гигантском количестве упрощений и предположений. поэтому особо ждать этой метастабильности скорее не стоит.

опять такие не понятны допуски этой "метастабильности"... разрушение этого состояния - при такое энерговыделении - может быть реакцией автокаталитической. слышали как самсунги взрывались? дак это мелочь.

3. если же она есть, то хранить ракетное топливо будет намного удобнее) Но тут другая проблема - как синтезировать такое количество твердого водорода.

В настоящее время сверхдавления получают на алмазных наковальнях, уменьшая площадь приложения давления. как сделать такую установку, чтобы получить хотя бы килограмм - для вкладного заряда, хз. Поставить 1000 штук в параллельную работу? дороговато... да и объемы все равно микро.... но хоть не нано.

[Виктор Левашов]

Я так понимаю, использование металлического водорода как аккумулятор энергии?

[Сергей Капустин]

pkl пишет:
Может. Я вот об этом тоже подумал, но не стал говорить вслух. К слову, неплохая замена ядерным зарядам сверхмалой мощности может получиться. Так что не исключено, что первыми начнут его производить для вояк.

далеко не факт, что его переход в другую фазу имеет характер детонации...

[pkl]

SGS_67 пишет:

pkl пишет:
Значимость этого открытия, надеюсь, все представляют?

Не все.
В чём же оно заключается?

Новое состояние вещества, как-никак. А если сбудутся теоретические предсказания - то и научно-техническая революция может быть.

[pkl]

Сергей Капустин пишет:

В настоящее время сверхдавления получают на алмазных наковальнях, уменьшая площадь приложения давления. как сделать такую установку, чтобы получить хотя бы килограмм - для вкладного заряда, хз. Поставить 1000 штук в параллельную работу? дороговато... да и объемы все равно микро.... но хоть не нано.

Интересно, а насколько крупные кристаллы алмаза можно вырастить? А сапфир подойдёт?

[pkl]

Виктор Левашов пишет:
Я так понимаю, использование металлического водорода как аккумулятор энергии?

Хотя бы. Он интересен уже этим. А ещё он может быть сверхпроводником.

[Сергей Капустин]

pkl, дело тут скорее не в размерах кристаллов, а в площади, где развивается давление.

http://ufn.ru/ufn79/ufn79_4/Russian/r794f.pdf

по началу эта площадь была десятые доли квадратного миллиметра.

и что то мне подсказывает, что развитие шло по пути уменьшения этой площади для получения увеличения давления, а не увеличения алмаза и груза на нем.

сейчас вроде, стало меньше, но все равно в районе 0.1 мм квадратного. на счет нано и микро я загнул)

рискну ошибиться, но думаю что технология эта будет масштабироваться с трудом. мало развить давлением, его же еще и контролировать надо точно, чтоб алмаз не сломать если что.

алмаз кстати выбирают не только за прочность, но и за прозрачность - надо же контролировать что там. у сапфира тут проблемы.

[mihalchuk]

Пока я увидет только усиление отражательной способности. Это значит, появилась зона проводимости с электронами, но и только. Какой процент атомов в этом участвовал, неясно.Эффект вообще мог быть поверхностным.

[Leonar]

pkl пишет:
А ещё он может быть сверхпроводником.

По мне при условии стабильности при н.у.
самое революционное

[Сергей Капустин]

mihalchuk, извините, как он может быть поверхностным? для этого расстояние межатомное на поверхности должно быть другим, чем внутри.  за счет чего такое может быть?

[Виктор Левашов]

Сергей Капустин пишет:
mihalchuk , извините, как он может быть поверхностным? для этого расстояние межатомное на поверхности должно быть другим, чем внутри. за счет чего такое может быть?

ну, аналог льда на реке, например.
но там разница температур.
как может быть разница давлений - это да.

[Denis Voronin]

Скорее всего выйдет как с нанотрубками - получить в лабораторных количествах можно, а до массового производства технология не масштабируется никак. Хотя на эти самые нанотрубки с их шикарными характеристиками гораздо интереснее металлического водорода ибо конструкционный материал для всего от космического лифта до туристической палатки.

[Chilik]

Denis Voronin пишет:
Скорее всего выйдет как с нанотрубками - получить в лабораторных количествах можно, а до массового производства технология не масштабируется никак.

Если лично Вам нужны углеродные нанотрубки, то в Новосибирске их сделают в любом потребном количестве.
Найдите только деньги, промышленная технология есть, для приличного заказчика производство расширят.

[PIN]

Denis Voronin пишет:
а до массового производства технология не масштабируется никак

ахха
http://www.nanowerk.com/carbon_nanotube_manufacturers_and_suppliers.php