Получение металлического водорода без давления и температуры. Что такое металлический водород? Переход в металлическую фазу

Что мы знаем об окружающем нас мире? Да ничего. Вообще, все окружающие нас материалы подразделяются на три базовых вполне конкретных лагеря. К примеру, для начала возьмем твердый куб воды — лед. После того, как он достигнет определенной температуры, он изо льда превратится в лед. Если продолжить увеличивать температуру, то в конце концов образуется пар.

Иными словами, каждая молекула имеет свою собственную фазовую диаграмму. Эта диаграмма является своеобразной картой того, что стоит ожидать от молекулы в различных условиях, как она себя поведет при изменениях температуры, давления и прочих параметров. Известно, что для каждого элемента диаграмма совершенно уникальна. И все от того, что есть различия в молекулярно-атомной системе. Ведь внутри этой компоновки могут происходить разные процессы.

Интересно другое, когда начинается разговор о водороде, то мы вдруг обнаруживаем, что практически ничего не слышали о его возможностях. Разве что некоторые реакции, связанные с подпиткой этого элемента кислородом. Но даже когда мы берем его в одиночном состоянии, его крайняя «застенчивость» мешает ему взаимодействовать с иными элементами в единственном числе. Дело в том, что водород практически всегда объединяется в молекулу (обычно в виде газа) и только после этого вступает в реакцию.

Если же водород удастся загнать в бутылку и увеличить температуру до тридцати трех кельвинов, что двести сорок градусов по Цельсию, вещество становится жидким. Ну, а при минус четырнадцати — минус двухсот пятидесяти девяти по Цельсию — водород твердеет.

Логически получается, что при повышенной температуре водород должен оставаться газообразным. Но это при условии низкого давления. Если повысить давление при той же высокой температуре, то можно обнаружить очень интересные последствия.

Космическое поведение водорода

Невероятные трансформации водорода происходят в космосе. На Земле их практически невозможно обнаружить. Возьмем, к примеру, Юпитер. И вот тут найденный водород начинает проявлять свои необычные свойства.

Погруженный в глубину под видимую поверхность планеты, привычный водород под высоким давлением начинает уступать место своему собрату — слою газожидкостного сверхкритичного гибрида. То есть условия слишком жаркие, чтобы оставаться в виде жидкости, но при этом слишком высокое давление, чтобы быть газом.

Но это только начало странностей. Если копнуть в более глубокие слои, то можно обнаружить вовсе невероятные превращения вещества. Какое-то время составные части водорода все еще продолжают как бы подпрыгивать. Но при давлении, превышающем земное связи водорода продолжают сжиматься. В результате в области ниже тринадцати тысяч километров под облаками появляется некая хаотичная смесь, в которой присутствую отдельные свободные ядра водорода, которые представляют собой одиночные протоны, смешанные с освобожденными электронами. При высоких температурах и низких давлениях этот состав является плазмой.

Вот только условия Юпитера, предлагающие более высокое давление, провоцирую не образование плазмы, а нечто, похожее на металл. Получается жидкий кристаллический металл.

Ученые пришли к выводу, что ничего странного в металлическом водороде нет. Просто бывают условия, при которых то или иное неметаллическое вещество начинает приобретать свойства металла. Вот только водород — не обычный металл, а урезанный атом — протон. В итоге получается нечто вроде жидкого металла. Протон как бы подвешен в жидкости. И если раньше считалось, что подобное может происходить на карликовых звездах, то сегодня оказалось, что такие свойства вещество может проявлять тут же, по соседству в нашей же системе.

Правообладатель иллюстрации Harvard University Image caption 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.

Правообладатель иллюстрации SCIENCE PHOTO LIBRARY Image caption 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.

Правообладатель иллюстрации NASA Image caption 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 энергоемкого ракетного топлива, однако его металлическая форма может стать новым видом топлива, способным создавать гигантскую тягу и выводить на орбиту более массимные 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.

Министерство образования и науки РФ

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Профессионального высшего учреждения ОГУ

Курсовая работа

Металлический водород

Выполнила студентка

Группы 08Физ(б)

Пичугина Екатерина

Проверил: Арифуллин М.Р.

Введение

Металлический водород

Обогащение веществ водородом - путь к его "металлизации"

3. Слой металлического водорода у Юпитера

4. Внутреннее строение Юпитера

Заключение

Литература

Введение

Как известно, в обычных условиях (скажем, при атмосферном давлении) водород состоит из молекул, кипит при Tc =20,3 К и затвердевает при Тt =14 K. Плотность твердого водорода р=0,076 г/см 3 и он является диэлектриком. Однако при достаточно сильном сжатии, когда внешние атомные оболочки оказываются раздавленными, все вещества должны переходить в металлическое состояние. Грубую оценку плотности металлического водорода можно получить, если считать, что расстояние между протонами порядка боровского радиуса. Количественные, хотя и ненадежные расчеты приводят к меньшей плотности: например, согласно, молекулярный водород находится в термодинамическом равновесии с металлическим водородом при давлении р=2,60 Мбар, когда плотность металлического водорода р = 1,15 г/см3 (плотность молекулярного водорода при этом р=0,76 г/см3). Согласно }