Эра металлического водорода

Фото: www.sciencenews.org

Превратив газ в металл, физики создадут сверхпроводимые электрические сети

Илья Носырев

21 августа, 2016 18:00

6 мин

Физики близки к получению металлического водорода: самый легкий в природе газ благодаря давлению удастся превратить в жидкость вроде ртути, проводящую электрический ток, а возможно, даже в твердый металл. Это откроет новую эру в электронике: металлический водород — сверхпроводник тока, позволяющий проводить электричество без потерь. Но если большинство сверхпроводников работает только при температурах, близких к абсолютному нулю, то металлический водород, как предсказывают физики, будет работать даже при комнатной температуре, заставив забыть о такой проблеме, как перегрев компьютеров, ставящий жесткий предел увеличению их мощности.

К получению металлического водорода стремятся сразу несколько конкурирующих команд физиков — среди них ученые Университета Эдинбурга (Великобритания), Ливерморская национальная лаборатория (США) и т.п. В июле о том, что им удалось решить эту задачу, объявили физики Гарвардского университета, но пока они не представили убедительных доказательств того, что это действительно произошло: жидкое вещество не отличается стабильностью, а срок его жизни составляет всего несколько микросекунд. Что же такого необычного в металлическом водороде, и почему с его получением связан такой ажиотаж?

Водород — самый простой элемент в таблице Менделеева: один протон и один электрон. И одновременно самый распространенный — именно он «горит» в недрах звезд, благодаря термоядерной реакции давая свет и тепло окружающим их планетам. Однако под высоким давлением физические характеристики этого элемента становятся необычайно сложными. Водород сперва превращается в жидкость, а при температурах, близких к абсолютному нулю, в твердое тело. Более того, при высоком давлении элемент, который, как и все газы, является диэлектриком, удастся превратить в металл, то есть в проводник электрического тока. Все металлы способны проводить электричество благодаря тому, что их кристаллическая решетка позволяет электронам отрываться от атомных ядер и свободно двигаться. При высоком давлении электроны водорода покинут свои ядра, и полученный материал тоже сможет проводить ток, причем будет обладать нулевым электрическим сопротивлением, другими словами, сможет проводить электрический ток практически без потерь.

Мало того что металлический водород окажется сверхпроводником, у него будет поистине уникальное свойство. Все известные науке сверхпроводники для своей работы требуют температуры, близкой к абсолютному нулю (−273°C), которую в земных условиях весьма сложно поддерживать. Однако металлический водород сохранит способность к сверхпроводимости даже при комнатной температуре. В этом смысле металлический водород — это поистине «анобтаниум», драгоценное вещество из научной фантастики: благодаря его использованию станет возможно создавать электросети и электроприборы, которые будут отличаться поразительной энергоэффективностью.

Это свойство металлического водорода революционизирует электронику. Сейчас перегрев плат — одна из основных причин, почему наращивать производительность компьютеров становится все труднее. Решить проблему инженеры пытаются с помощью новых систем охлаждения, но они сами по себе требуют энергии. Архитекторы компьютерных систем давно поглядывают на сверхпроводники как способ решения проблемы, но применять их на практике мешает именно их неспособность работать в обычных условиях, без специальных сред из жидкого гелия или жидкого азота. Новый металл позволил бы справиться с проблемой перегрева.

Пригодятся метастабильные соединения металлического водорода и в качестве экологически чистого и эффективного топлива. Если изготовить топливную ячейку, в которой металлический водород будет превращаться в обычный газообразный, она будет давать примерно в 20 раз больше энергии, чем дают современные топливные ячейки на водороде.

Конечно, создавая новое вещество, физики руководствуются не только прикладными целями, но и теоретическими интересами. Как сейчас считается, из металлического водорода состоит ядро газовых гигантов, таких как Юпитер и Сатурн: из-за страшного давления и разогрева внутри планет газообразный водород, с избытком имеющийся в их атмосфере, превращается в жидкость. Под облачным слоем газовых гигантов, таким образом, катят свои волны океаны металлического водорода. Исследование необычной жидкости в земных лабораториях позволит пролить свет на многие аномальные особенности поведения газовых гигантов.

Но получить новый материал не так-то просто. То, что жидкий и твердый водород можно сделать металлическими, было предсказано еще в 1935 году. Физики Юджин Вагнер и Хиллард Хантингтон утверждали, что для перехода водорода в металлическое состояние потребуется давление в 250 тысяч атмосфер. Цифра кажется невероятной, но с тех пор исследователям уже удалось достичь в лабораторных условиях давления в десять раз более высокого. Однако металлический водород не получился даже при таком сжатии. Правда, еще в 1996 году физики Ливерморской национальной лаборатории клялись и божились, что им удалось синтезировать жидкий металлический водород, но повторить опыт им так и не удалось.

Эксперимент физиков Гарвардского университета тем интереснее, что, по их словам, им впервые удалось увидеть процесс превращения водорода в металл: «Водород резко перешел из прозрачного, как стекло, состояния в состояние блестящего металла, который, как и медь или золото, отражал свет». Для чудесного превращения понадобилась температура чуть менее 2000°C и давление в миллион атмосфер. Однако и этой команде не удалось добиться стабильности полученного вещества. Более того, оказалось, что в твердом состоянии водород способен создавать новые фазы, каждая со своей структурой (такими свойствами обладают некоторые другие твердые вещества, например лед, при последовательном замораживании создающий 16 различных кристаллических решеток). Всего у водорода таких фаз сейчас зафиксировано четыре, они последовательно сменяют друг друга по мере наращивания давления, и ни одна из них не дает стабильной структуры, внутри которой могли бы свободно двигаться электроны. Близок ли конец этой «дурной бесконечности»? Физики преисполнены оптимизма и утверждают, что уже пятая по счету фаза твердого водорода может вознаградить их за десятилетия трудов. Если это так, мир вскоре увидит целый набор новых удивительных технологий.

ТЕГИ

поддержать проект

Для поднятия хорошего настроения, вы можете угостить наших редакторов чашечкой кофе

Маленькая чашка кофе