У гарвардському університеті синтезували металевий водень?

Водень - найпоширеніший елемент у Всесвіті. У звичайних умовах він існує у вигляді безбарвного газу, кожна частка якого складається з двох атомів водню. Якщо стиснути звичайний водень тисками в тисячі атмосфер, то можна отримати його спочатку в рідкому, а потім і в твердому вигляді - прозорого, що не проводить електрику матеріалу. У 1935 році фізики Вигнер і Хантінгтон теоретично передбачили, що додатково збільшивши тиск можна змусити водень перейти в металевий стан.

Цей матеріал привернув до себе увагу експериментаторів завдяки своїм незвичайним властивостям - з одного боку, теоретики пророкують йому надпровідність при температурах близьких до кімнатної. З іншого боку, у вигляді металевої фази водень запасає величезну енергію і його зручно зберігати - це властивість важливо для ракетобудування. Спроби синтезу матеріалу почалися в другій половині XX століття, але до цих пір не можна з упевненістю сказати, що він був отриманий.

Одна з важливих проблем синтезу металевого водню - високі тиску, необхідні для фазового переходу. Вігнер та Хантінгтон передбачили, що молекулярний двоатомний водень повинен перетворюватися в металевий одноатомний водень при тисках близько 250 тис. Атм і низьких температурах. Це приблизно в 250 разів більше, ніж тиск на дні Маріанської западини. Однак експерименти показали, що ця оцінка не відповідає дійсності. Сучасні дослідження пророкують величину тиску фазового переходу в 4-5 млн атм - це еквівалентно тиску, який чинить об`єкт з масою слона, що стоїть на голці з площею поверхні вістря менше квадратного міліметра.

Автори нової роботи стверджують, що змогли синтезувати твердий металевий водень за допомогою алмазної ковадла, що створювала тиск в 4,95 млн атм в охолоджувальної рідким гелієм осередку. Цей прилад являє собою пару високоякісних алмазів, з плоскими відшліфованими гранями ковадла. Їх стискають, вкручуючи довгі сталеві гвинти.

Раніше гарвардський колектив вчених вже робив спроби синтезу металевого водню - в ході експериментів фізики з`ясували кілька проблем, що ускладнюють досягнення високого тиску. В першу чергу водень здатний проникати в алмаз і робити його більш крихким. З ростом тиску це призводить до руйнування «ковадла». По-друге, лазерне випромінювання, яке використовується для моніторингу стану осередку, також може привести до руйнування алмаза (наприклад, інфрачервоне випромінювання здатне перетворити алмаз в графіт). Щоб уникнути цих складнощів автори модифікували традиційний експеримент.

Фізики покрили алмазні поверхні аморфним оксидом алюмінію (товщиною 50 нм), для запобігання дифузії водню. Крім того, використання лазерного випромінювання в експерименті було мінімізовано - оцінка тисків робилася на основі кількості оборотів гвинта.

Вчені стежили за змінами в зразку за допомогою мікроскопа. При двох мільйонах атмосфер водень був прозорим твердим речовиною. При 4,15 млн атм зразок потемнів і перестав пропускати світло. При тиску 4,95 млн атм автори виявили, що зразок став червонуватим і почав добре відбивати світло. З спектральних даних фізики визначили, що в твердому водні виникла велика концентрація вільних носіїв заряду (7,7 ± 1,1 1023 частинок на см3) - в десятки разів більше ніж у літію, натрію або калію (лужних металів). За словами вчених, це підтверджує металеву природу матеріалу.

Незалежні експерти, також беруть участь в «гонці» синтезу металевого водню, сумніваються в надійності роботи. По-перше, експеримент по синтезу металевого водню був поставлений лише один раз і не відтворювався. По-друге, свою роль могло зіграти покриття з оксиду алюмінію - немає впевненості, що матеріал не відновився до металевого алюмінію. Євген Грегорянц, синтезував рік тому фазу-попередник металевого водню, також відзначає, що детальні вимірювання стану осередку були зроблені лише при пікових значеннях тисків. На їх підставі не можна надійно судити про досягнутому тиску, як і на основі кількості оборотів гвинта.

Переконати експертів може повторення експерименту і додаткові тести. За словами Айзека Сільвера, співавтора роботи, рішення опублікувати статтю з обмеженою кількістю підтверджуючих тестів було пов`язано з тим, що зразок може зруйнуватися при подальшій роботі з ним. Зараз, коли дослідження опубліковано, фізики планують провести аналіз раманівського розсіювання на металевому водні та інші тести.

Це не перша заява вчених про синтез металевого водню. У липні 2016 року група дослідників під керівництвом Айзека Сільвера заявила про синтез рідкого металевого водню (І також зазнала критики). У 2011 році про синтез матеріалу заявляли Михайло Еремец і Іван Троян з Хімічного інституту суспільства Макса Планка, однак, за словами хіміків, надійних підтверджень досі отримано не було. Вважається, що зустріти рідкий металевий водень можна, наприклад, в надрах Юпітера.

А ще раніше група талановитих, але юних фізиків з міста Новосибірська намагалася отримати металевий водень в шкільній лабораторії. Наслідки були цілком передбачувані.

На думку дослідників, новий матеріал може зробити сильний вплив на розвиток технологій, в тому числі створення надшвидких комп`ютерів, швидкісних поїздів, надпровідників і палива для космічних кораблів. джерело