Ера суперпоездов і ракет. Навіщо людям металевий водень
"Опісля майже століття після того як з'явилася теорія про металевому водні, вчені з Гарварду досягли успіху у створенні самого рідкісного і потенційно одного з найбільш цінних матеріалів на планеті", - пише PhysOrg.
Атомарний металевий водень створили професор природничих наук Айзек Сільвера і постдокторант Ранг Діас. Створення матеріалу - не тільки можливість допомогти вченим у пошуку відповідей на фундаментальні питання про природу матерії. Вважається, що металевий водень буде мати широкий спектр застосування, зокрема бути надпровідником при кімнатній температурі.
"Це - Святий Грааль фізики високих тисків, найперший зразок металевого водню на Землі, - говорить Сільвера. - Ви бачите те, чого раніше ніколи не існувало".
Щоб створити його, Сільвера і Діас піддали крихітний зразок впливу водню під тиском 495 гігапаскалів (50,4 млн т на кв. м) - більше, ніж тиск у центрі Землі. При такому критичному тиску кристалічна решітка твердого молекулярного водню ламається, щільно пов'язані молекули відокремлюються і перетворюються на атомарний водень, який є металом.
"Один з дуже важливих прогнозів полягає в тому, що металевий водень буде метастабільним", — говорить Сільвера. Це означає, що якщо прибрати тиск, водень залишиться металевим. За аналогією з тим, як алмази формуються з графіту під впливом високої температури і тиску, але при цьому залишаються алмазами при зниженні температури і тиску.
Розуміння, стабільний матеріал, важливо для можливого використання металевого водню в якості надпровідника при кімнатних температурах. Сьогодні не менше 15% енергії втрачається під час її передачі, тому використання нового матеріалу цілком може зробити справжню революцію. Зокрема, металевий водень міг би кардинально змінити транспортну систему, зробивши можливої магнітну левітацію високошвидкісних поїздів та суттєво підвищивши ефективність електромобілів, а також безліч інших електронних пристроїв.
Металевий водень міг би сприяти удосконаленню вироблення та зберігання енергії: надпровідники мають нульовим опором, енергію можна зберігати, підтримуючи струми в котушках надпровідності, а після використовувати її за потребою.
Металевий водень міг би зіграти ключову роль в освоєнні далеких космічних просторів. Сільвера зазначає, що для створення металевого водню потрібна величезна кількість енергії. "Якщо перетворити його назад в молекулярний водень, що вся ця енергія буде звільнено", - говорить учений.
Енергоємність палива характеризується "питомим імпульсом" - заходом (у секундах) після того, як швидко реактивна струмінь виштовхується із задньої частини ракети. На сьогодні у енергоємного палива в світі питома імпульс - 450 с. Питома імпульс для металевого водню прогнозується в розмірі 1700 с. Вчені підкреслюють, що використання металевого водню значно полегшило б дослідження інших планет. Приміром, у космос можна було б запускати ракети тільки з однією сходинкою замість двох, також могла б бути збільшене корисне навантаження на космічних кораблях.
Як це зроблено
Щоб створити новий матеріал, Сільвера і Діас використовували один із самих твердих матеріалів на Землі - алмаз. Для дослідів вчені взяли два маленьких фрагмента ретельно відполірованого синтетичного алмазу. Алмази поліруються алмазним порошком, щоб видалити вуглець з поверхні.
Однак при вивченні фрагментів, взятих для дослідів, вчені виявили дефекти, які могли б призвести до руйнування зразків під впливом великого тиску. У підсумку було вирішено використовувати реактивний процес іонного травлення - з поверхні алмазів зрізали крихітний шар всього 5 мікрон завтовшки (приблизно одна десята товщини людської волосини).
Після цього алмази вкривається тонким шаром оксиду алюмінію, щоб перешкоджати проникненню водню в їх кристалічну структуру - інакше зразки придбали б крихкість.
Після цього підготовлені фрагменти алмазів встановили один навпроти одного в пристрої, відомому як алмазний прес.
Сільвера зізнається, що вони не розраховували відразу отримати результат, але їм дійсно вдалося створити металевий водень. "Я негайно сказав, що ми повинні провести вимірювання, щоб підтвердити результати досвіду. Так що ми переобладнали лабораторію, і це сталося", — розповідає вчений. "Це величезний успіх. Навіть якщо металевий водень існує тільки в цьому алмазному пресі під високим тиском, це все одно фундаментальне і революційне відкриття", - говорить Сільвера. Адже для отримання матеріалу, теорія про який з'явилася майже століття тому, знадобилося більше чотирьох десятиліть роботи.
