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 ученые 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.
МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ВОДОРОД
МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ВОДОРОД
Совокупность фаз высокого давления водорода, обладающих металлич. свойствами. Возможность перехода водорода в металлич. фазу была впервые теоретически рассмотрена Ю. Вигнером и X. Б. Хантингтоном в 1935 [I]-^B дальнейшем по мере развития методов электронной теории металлов ур-ние металлич. фаз водорода исследовалось теоретически. На рис. 1 приведена , полученная путём синтеза результатов этих расчётов с эксперим. и теоретич. данными по ур-нию состояния молекулярного водорода . При атм. давлении и низких темп-pax водород существует в виде диэлектрич. молекулярного кристалла, при повышении давления происходит переход в кри-сталлич. металлич. состояние. При этом в зависимости от темп-ры возможны 3 фазы M. в. При темп-ре T =
0 К и давлении r =
300-100 ГПа металлизация сопровождается перестройкой кристаллич. структуры, диссоциацией молекул H 2 и металлич. кристалл становится атомарным . При T >
10 К возможна металлизация с сохранением структуры молекулярного кристалла (пунктир; металлизация такого типа ранее наблюдалась в иоде). При дальнейшем повышении давления или темп-ры наступает металлич. фазы и образуется жидкий атомарный M. в.
Рис. I. Диаграмма состояния водорода.
Водород в металлич. фазе содержится в недрах планет-гигантов Юпитера и Сатурна. Согласно совр.
моделям, на Юпитере водород в молекулярной фазе присутствует только до глубин порядка 0,22 радиуса планеты . На большей глубине водород в смеси с Не образует жидкую металлич. фазу (рис. 2, ).
Сообщалось о получении M. в. в экспериментах по ударному сжатию и по сжатию в алмазных наковальнях , однако надёжных эксперим. данных о давлении перехода и ур-нии металлич. фазы пока нет.
Важность получения M. в. связана с тем, что в нём должен сочетаться ряд уникальных свойств. Во-первых, из-за малой массы атомов аномально велика Де-бая Как следствие этого, темп-ра сверхпроводящего перехода Т с в твёрдой фазе при давлении порядка давления металлизации должна превышать 200 К, что значительно выше, чем у всех известных сверхпроводников, т. к..
Во-вторых, M. в. может существовать в виде квантовой жидкости.
Малая атомов водорода приводит к большой величине амплитуды нулевых колебаний
атомов, благодаря чему даже при T =
0 К может не происходить . В противоположность известным квантовым жидкостям (3 He и 4 He) плавление кристаллич. M. в. наступает при возрастании давления. Надёжных расчётных данных о структуре и кривой плавления металлич. фазы пока нет. Согласно нек-рым расчётам, 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 металлич. фазы в диэлектрическую выделяется ~290 МДж/кг, что в неск. раз выше, чем даёт любой известный вид топлива. Перспективы практич. использования M. в. в качестве аккумулятора энергии зависят от того, какие условия требуются для осуществления метастабильной металлич. фазы при частичном снятии внеш. давления и каково её . Кроме протия 1 H металлизация может происходить в кристаллах дейтерия 2 H и трития 3 H, с той лишь разницей, что квантовые свойства этих кристаллов выражены слабее, а темп-pa сверхпроводящего перехода Т с
в них ниже.
Лит.:
1) Wignе г E., Hиntingtоn H. В., On the possibility of a metallic modification of hydrogen, "J. Chem. Phys.", 1935, v. 3, p. 746; 2) Stevensоn D. J., Interiors of giant planets, "Ann. Rev. Earth Planet. Sci.", 1982, v. 10, p. 257; 3) Каган Ю.,Пушкарев В., Xолас А., Уравнение состояния металлической фазы водорода, "ШЭТФ", 1977, т. 73, с. 967; 4) Ж а р к о в В. H., Внутреннее строение Земли и планет, 2 изд., M., 1983, гл. 10; 5) Григорьев Ф. В. и др., Экспериментальное определение сжимаемости водорода при плотностях 0,5+ 2 г/см 3 , "Письма в ЖЭТФ", 1972, т. 16, с. 286; 6) Ross M., Matter under extreme conditions of temperature and pressure, "Repts Progr. Phys.", 1985, v. 48, p. 1; 7) Min B. I., Jansen H. J. F., Freeman A., Structural properties superconductivity and magnetism of metallic hydrogen, "Phys. Rev. B", 1984, V. 30, № 9, p. 5076. В. В. Авилов.
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .
Смотреть что такое "МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ВОДОРОД" в других словарях:
Эта статья содержит незавершённый перевод с английского языка. Вы можете помочь проекту, переведя её до конца … Википедия
А; м. Химический элемент (H), лёгкий газ без цвета и запаха, образующий в соединении с кислородом воду. ◁ Водородный, ая, ое. В ые соединения. В ые бактерии. В ая бомба (бомба огромной разрушительной силы, взрывное действие которой основано на… … Энциклопедический словарь
Твёрдое агрегатное состояние водорода с температурой плавления −259,2 °C (14,16 К), плотностью 0,08667 г/см³ (при −262 °C). Белая снегоподобная масса, кристаллы гексагональной сингонии, пространственная группа P6/mmc, параметры ячейки a = 0,378… … Википедия
Магнезиум металликум - Magnesium metallicum, Магний металлический - Химический элемент 2 й группы периодической системы Менделеева. Встречается в природе в виде магнезита, доломита, карналлита, бишофита, оливина, каинита. Серебристый металл, при обычной температуре в сухом воздухе не окисляется, с холодной водой… … Справочник по гомеопатии
У этого термина существуют и другие значения, см. Юпитер (значения). Юпитер … Википедия
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 ученые 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.
Экология потребления.Наука и техника: Новый материал может совершить революцию в ракетостроении и сверхпроводниковой отрасли, однако пока он получен лишь в очень малом количестве.
Исследователи из Гарвардского университета (США) впервые смогли получить в лаборатории металлический водород при низких температурах. Для этого им пришлось создать давление, выше, чем в центре Земли. Хотя металлический водород был предсказан почти столетие тому назад, исключительные трудности на пути получения этого материала долгое время делали его получение в твердой форме недостижимой мечтой.
Теоретики ещё в первой половине XX века показали, что обычный водород, существующий в виде двухатомных молекул, при росте давления постепенно потеряет молекулярную структуру. Его молекулы просто развалятся, образовав гораздо более плотно упакованный атомарный водород в твёрдой фазе.
Этот материал, широко распространённый в недрах Юпитера, обладает рядом уникальных свойств, которые делают его крайне многообещающим. По расчётам, он должен быть хорошим проводником - возможно, даже сверхпроводником. А, например, при плавлении металлического водорода должно выделяться в 21 раз больше энергии, чем при сжигании килограмма того же водорода в кислороде. В теории это делает его отличным ракетным топливом, на базе которого можно строить одноступенчатые ракеты и выводить в космос большую полезную нагрузку на ракете умеренных размеров.
Но, чтобы сделать всё это, нужно сперва получить такой водород. На протяжении длительного времени создать нужное для его получения давление удавалось только с помощью алмазных наковален с лазерным нагревом и уплотнением. Температура в таких наковальнях часто измерялась тысячами градусов - даже получив в них металлический водород, исследователи через миллисекунду тут же его теряли. Замерить его металлические свойства при низкой температуре достоверно не удавалось.
В этот раз учёные оптимизировали алмазную наковальню таким образом, чтобы получить металлический водород именно при малых температурах. Наковальня состоит из двух синтетических алмазов конической формы. Чтобы убрать дефекты в алмазах (избежать растрескивания при росте давления), их отполировали алмазной крошкой. Кроме того, их покрыли слоем глинозёма. С его помощью удалось блокировать диффузию водорода при высоких давлениях внутрь алмазов наковальни.
Диффундирующий водород быстро создаёт в алмазах дефекты, делающие их хрупкими, и дальнейшее сжатие водорода приводит к их разрушению. После модификации ячейку с алмазной наковальней использовали для получения металлического водорода при температуре 5,5 кельвина и давлении в 495 гигапаскалей. Это почти в пять миллионов раз выше атмосферного. 5,5 кельвина - рекордно низкая температура для такого давления. Спектроскопический анализ показал, что водород в новом материале находится в атомарном состоянии, а его плотность соответствует металлическому водороду.
Пока водород удалось получить в очень малых количествах, с помощью которых достоверно удалось прояснить лишь наличие у него свойств металла и высокой отражательный способности - он отражал порядка 0,91 от падавшего на него электромагнитного излучения. Однако в будущем исследователи надеются добиться получения достаточно больших количеств этого материала. В значимых количествах он должен быть метастабилен, как алмаз. Это значит, что хотя для его получения и требуется очень большое давление, однажды возникнув металлический водород остается стабильным даже в обычных условиях - при комнатной температуре и атмосферном давлении. Связано это с тем, что энергия, требующаяся для разрушения связей в таком материале столь велика, что в нормальных условиях такой переход не случится.
Ряд работ предсказываю т у металлического водорода сверхпроводимость при комнатной температуре. На сегодня таких сверхпроводников получить ещё не удалось.
Металлический водород при получении требует больших затрат энергии, и при его переходе в фазу газообразного (обычного) водорода эта энергия быстро высвобождается. В случае его применения в ракетных двигателях он может дать удельный импульс в 1700 секунд. Современные лучшие виды ракетного топлива дают цифры в районе 400 секунд. К тому же металлический водород в силу его метастабильности не потребует криогенных баков и не будет быстро утекать через их стенки в космосе (это ограничивает использование жидкого водорода в ракетах). С таким твёрдым топливом в теории можно создать одноступенчатые ракеты большой грузоподъёмности при умеренных затратах. В NASA его рассматривают как фактор, способный резко изменить расстановку сил в космической индустрии. Проверить, так это или нет возможно только на практике - после улучшения существующих методов его наработки. опубликовано
МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ВОДОРОД - совокупность фаз высокого давления водорода, обладающих металлич. свойствами. Возможность перехода водорода в металлич. фазу была впервые теоретически рассмотрена Ю. Вигнером и X. Б. Хантингтоном в 1935 [I]-^B дальнейшем по мере развития методов электронной теории металлов ур-ние состояния металлич. фаз водорода исследовалось теоретически. На рис. 1 приведена фазовая диаграмма, полученная путём синтеза результатов этих расчётов с эксперим. и теоретич. данными по ур-нию состояния молекулярного водорода . При атм. давлении и низких темп-pax водород существует в виде диэлектрич. молекулярного кристалла, при повышении давления происходит переход в кри-сталлич. металлич. состояние. При этом в зависимости от темп-ры возможны 3 фазы M. в. При темп-ре T = 0 К и давлении r = 300-100 ГПа металлизация сопровождается перестройкой кристаллич. структуры, H 2 и металлич. кристалл становится атомарным . При T > 10 К возможна металлизация с сохранением структуры молекулярного кристалла (пунктир; металлизация такого типа ранее наблюдалась в иоде). При дальнейшем повышении давления или темп-ры наступает металлич. фазы и образуется жидкий атомарный M. в.
