"Практичне використання металевого водню слід віднести до наукової фантастики"

“Практичне використання металевого водню слід віднести до наукової фантастики”

Сергій Стішов
"Коммерсант Наука" №1, лютий 2017

Дослідники з Гарвардського університету повідомили про отримання – під тиском близько 5 млн атмосфер – водню в металевому стані. Науковий керівник Інституту фізики високих тисків РАН, академік Сергій Стішов розповідає про історію та перспективи металевого водню.

Водень зазвичай зустрічається в молекулярному вигляді, тобто у вигляді молекул, що складаються з двох протонів і двох електронів. Однак, якщо розщепити молекулу, то вийде атомарний водень, що складається з одного протона і одного електрона і представляє собою повний аналог лужних металів. При атмосферному тиску атомарний водень нестійкий і швидко переходить в молекулярну форму. Однак в тридцятих роках минулого століття британський вчений Джон Бернал, відомий борець за мир і автор оригінальних наукових ідей (наприклад, про структуру рідин, про олівін-шпінелевих переході в надрах Землі), припустив, що атомарний водень може виявитися стабільним при високому тиску. Ця ідея привернула увагу теоретиків Вигнера і Хантінгтона, які і зробили відповідні розрахунки в 1935 році.Гіпотеза Бернала знайшла підтвердження – згідно із зазначеними розрахунками, молекулярний водень переходить в атомарному металеву фазу при високому тиску близько 250 тис. Атмосфер зі значним збільшенням щільності (в світлі сучасних досліджень наведена оцінка виглядає досить наближеною).

Однак з тих пір довгий час проблема металевого водню не знаходить в центрі уваги дослідників в галузі фізики високих тисків. Слід лише згадати теоретичні роботи А. А. Абрикосова (нині нобелівського лауреата) і В. П. Трубіцина, виконані в 1950-х роках минулого століття і присвячені будові водневих планет: Юпітера і Сатурна.

Вибух інтересу до проблеми відбувся в 1968 році, коли американський фізик Ніл Ашкрофт опублікував статтю, в якій доводив, що отриманий при високому тиску атомний металевий водень може при атмосферному тиску залишатися стабільним. Але головне, Ашкрофт показав, що металевий водень може мати надпровідність при кімнатній температурі. Ось це і стало головною мотивацією для подальших досліджень. дійсно,отримання матеріалу з надпровідністю при кімнатній температурі означало б переворот в енергетиці.

Кілька експериментальних груп оголосили про свої наміри зайнятися отриманням металевого водню. Одними з перших заявила про себе група Нілу Ашкрофта і Артура Руоффа з Корнельського університету (США). В інтерв'ю, надрукованому в Physics Today на початку 1970-х, вони заявили, що при наявності фінансування зроблять металевий водень протягом року.

Потрібно сказати, в цей час вже було ясно, що для отримання металевого водню потрібно тиск не менше мільйона атмосфер. І ніхто не знав, як отримати цей мільйон. Руофф в Корнеллі будував величезний многопуансонний апарат, за допомогою якого, як виявилося, не можна було отримати необхідний тиск. Інші групи в США і Росії стали готувати апаратуру для вимірювання рівняння стану і кривої плавлення молекулярної фази. В Інституті фізики високих тисків (ІФВД) АН СРСР стали думати, як пристосувати наявний величезний прес зусиллям 50 тис. Тонн для пошуків металевого водню. Теоретики стали ще й ще раз обчислювати тиск переходу водню в металевий стан, температуру його надпровідного переходу,аналізувати властивості метастабільною фази металевого водню (Е. Г. Бровман і Ю. Каган). В. Л. Гінзбург (майбутній нобелівський лауреат) – апологет надпровідності в усіх її проявах і автор основоположної роботи в цій галузі (знамените рівняння Гінзбурга – Ландау) – був настільки захоплений перспективою отримання кімнатної надпровідності, що оголосив проблему металевого водню однієї з найважливіших проблем фізики твердого тіла. Словом, робота почалася.

Одночасно в ненауковою пресі з'явилися фантастичні прогнози. Наприклад, що з металевого водню можна буде робити найлегші куленепробивні жакети або деталі космічних ракет, які можна буде використовувати як паливо. Вчені особливо не протестували проти подібних вигадок, а часом і самі пускали їх в оборот, оскільки це допомагало отримати фінансування.

Так чи інакше, проблема металевого водню, потенційно володіє чудодійними властивостями, придбала в 1970-х роках цілком тотальний і навіть державний характер. Для підтвердження сказаного розповім невелику історію.У 1977 році я відвідав кілька університетських і національних лабораторій США, серед них була і Аргонської національної лабораторія, де я спілкувався з одним з її співробітників, Джимом Іогерсоном. Через кілька років Джим при зустрічі розповів мені, що після мого візиту в Аргонн до нього заявилися представники секретних служб, намагаючись з'ясувати, чи правда, що академік Л. Ф. Верещагін загинув в результаті вибуху отриманого в його інституті (ІФВД) металевого водню (Л . Ф. Верещагін помер в 1977 році незадовго до мого візиту в США, з причин, ніяк не пов'язаним з водневої тематикою). Це історія показує, що державна машина США стежила за ситуацією і приймала всерйоз найбезглуздіші вигадки. Крім того, державні люди США, підігріті пресою і вченими, побоювалися, що металевий водень буде вперше отримано в СРСР. Великий прес ІФВД не давав їм спокою.

Проте реального просування на шляху до досягнення мільйонних тисків не було до тих пір, поки Пітер Белл і Дейв Мао з Геофізичної лабораторії (Вашингтон, США) не заявили в 1977 році про досягнення 1,7 млн ​​атмосфер в мініатюрному пристрої (алмазних ковадлах) , тиск в якому створюється за допомогою двох алмазів. Крига зрушила.Почалися реальні дослідження водню. Однак з часом з'ясувалося, що дієвих гравців всього троє. Це Артур Руофф з Корнелла, Рассел Хемлі і Дейв Мао з Геофізичної лабораторії і сьогоднішній герой Айк Сільвера (Isaac Silvera) з Гарварду (все з США). Айк отримав визнання за роботи по стабілізації атомарного водню осадженням на підкладку, порита надтекучим гелієм, проведені під час його перебування в Голландії.

Алмазні ковадла дозволяють отримувати тиск до 5 млн атмосфер, але в дуже маленькому зразку – мікронних розмірів

За роки досліджень було отримано багато експериментальних даних в умовах високих статичних і динамічних тисків. Білл Нелліса з Ліверморської лабораторії (США) стверджував, що рідкий дейтерій (ізотоп водню) переходить в металеву рідину при високому тиску і температурах, що створюються сильними ударними хвилями. Удосконалюючи техніку експерименту, дослідники крок за кроком наблизилися до тискам, що панує в центрі Землі (близько 4,5 млн атмосфер). Однак водень вперто не хотів металлізованних. Дослідники звернулися до з'єднань водню і рідкого водню,було отримано багато цікавих результатів, але твердий водень залишався непохитним.

І нарешті, в січні цього року Айк Сільвера публікує в журналі Science повідомлення про отримання металевого водню при тиску близько 5 млн атмосфер. Це твердження миттєво зазнало критики з боку конкуруючих дослідників (Е. Григорьянц, Единбург; М. Еремец, Майнц), хоча було підтримано батьком всієї цієї діяльності Нілом Ашкрофт.

Як би не склалася ситуація далі, ясно, металевий водень отриманий – або буде отримано. Але важливо знати, що кількість речовини, що отримується в алмазних ковадлах, можна вмістити на вістрі тонкої швейної голки. З цієї причини всякі проекти, пов'язані з практичним використанням металевого водню, слід віднести до науково-фантастичного жанру.

література:
1. Wigner E., Huntington H. B. J. Chem. Phys. 3, 764 (1935).
2. Абрикосов А. А., Астрон. журн. 31, 112 (1954); ЖЕТФ 39, 1797 (1960); ЖЕТФ 41, 569 (1961); ЖЕТФ 45, 2038 (1963).
3. Трубіцин В. П. ФТТ 7, 3363 (1966); ФТТ 8, 862 (1966).
4. Ashcroft N. W. Phys. Rev. Lett. 21, 1748 (1968).
5. Бровман Е. Г., Каган Ю., Холас А. ЖЕТФ 61, 2429 (1971); ЖЕТФ 62, 1492 (1972).
6. Гінзбург В. Л. УФН 103, 87 (1971).
7. Dias R. P., Silvera I. F. Science (2017), doi: 10.1126 / science.aal1579.


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: