Ученые только что создали то, что может быть самым редким и ценным материалом на планете.
Как сообщалось еще в сентябре, в двух исследованиях, каждое с различным подходом, предпринимались попытки создать металлический водород, и теперь, спустя более 80 лет после того, как было предсказано, что это станет возможным, команда Гарвардского университета наконец-то смогла создать неуловимое состояние.
Физики Исаак Сильвера, который работает над этой проблемой уже 45 лет, и Ранга Диас опубликовали результаты своего исследования на этой неделе в журнале Science.
Для получения металлического водорода команда Сильвера сжимала два мощных алмаза расположенных друг напротив друга для сжатия газообразного водорода, а затем переводила его в жидкое состояние, понижая температуру (водород растворяется при температуре -252°C). Затем они постепенно увеличивают давление на твердый водород, скручивая стальной винт для приложения силы на алмазную наковальню. Именно тогда были замечены изменения.
Под давлением около 2 миллионов атмосфер (или 200 гигапаскалей) водород оставался прозрачным. Он превратился в непрозрачный черный при 4 миллионах атмосфер, уровень давления был выше, чем в центре Земли. Затем, при давлении около 4,95 миллиона атмосфер, водород начал отражать 90 процентов света, который падал на него.
Это означало, что он стал металлическим. Состояние водорода, которого раньше никогда не было на нашей планете. Сильвера называет это "священным Граалем физики высокого давления".
Это, конечно, немалый подвиг. Преобразование водорода в металлическое состояние - явление, известное как переход Вигнер-Хантингтон. Оно было впервые предсказано в 1935 году.
Предыдущие испытания для воплощения этого явления в жизнь не увенчались успехом, поскольку алмазы ломались под таким экстремальным давлением, либо из-за дефектов в алмазах, либо из-за диффузии самого водорода в кристаллическую решетку алмазов, что приводило к их разрушению.
Для решения этих проблем команда Сильвера использовала метод реактивного ионного травления для устранения любых наноразмерных дефектов и создала диффузионный барьер путем нанесения тонкого слоя глинозема на алмазы.
Простой, но мощный
Водород, элемент номер один в периодической таблице, является самым простым атомом, всего один протон с одним электроном. Однако, предположительно, он обладает невероятным потенциалом в металлической форме.
Во-первых, физики предсказывают, что металлический водород - это настоящий сверхпроводник. Благодаря этому металлический водород находит множество потенциальных применений.
"Допустим, вы можете сделать провода из сверхпроводящего металлического водорода", - предположил Сильвера. "Тогда, если вы транспортируете энергию, у вас не будет рассеяния, потому что у него нет сопротивления. Прямо сейчас, в нашей электрической сети мы теряем энергию, просто нагревая провода во время передачи".
Диас также считает, что это может привести к созданию сверхпроводящего магнитного хранилища, которое "поддерживает постоянные токи в сверхпроводящих катушках".
Это может быть полезным инструментом для поддержания равновесия в энергосистеме при использовании возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая энергия, которые производят электроэнергию с перебоями.
Поскольку предполагается, что он будет работать как при комнатной температуре, так и выше, металлический водород может заменить магниты, используемые в настоящее время в аппаратах МРТ.
Другое применение, которое Диас называет "самым романтичным", это
"магнитная левитация высокоскоростных поездов, основанная на идеальном диамагнетизме сверхпроводников".
Это может революционизировать транспорт, так как магнитная левитация используется для высокоскоростных систем, таких как Hyperloop. И еще есть ракетная техника.
" Металлическое состояние может сделать водород "самым мощным ракетным топливом, известным человеку", - пояснил Сильвера, - примерно в четыре раза мощнее, чем существующие виды ракетного топлива, использующие молекулярный водород и жидкий кислород. При нагревании металлический водород превращается обратно в молекулярный водород, который может вырабатывать большое количество эффективно упакованной энергии. Это произведет революцию в ракетном деле, - объяснил он, - что позволит вам исследовать внешние планеты, вывести ракеты на орбиту с помощью одной ступени и поднять большую полезную нагрузку".
Несомненно, именно поэтому НАСА частично финансировало исследования команды.
Хотя все это захватывающе и потенциально меняет технологию, единственный металлический водород на Земле на сегодняшний день остается в лаборатории Сильвера, в алмазной наковальне под высоким давлением.
Команде еще предстоит выяснить, сможет ли металлический водород оставаться в стабильном состоянии после сброса давления, поэтому пока давайте просто отпразднуем открытие и будем надеяться на то, что металлический водород изменит мир.
