Металлический водород что это такое кратко

Обновлено: 04.07.2024

Сотни вне солнечных планет, состоят из этой экзотической формы материи.Его изобилие в нашей Солнечной системе, несмотря на ее редкость на Земле, делает металлический водород интригующим для исследователей которые изучают формирование и эволюцию планет.Он является наиболее распространенной формой вещества в нашей планетарной системе. на Юпитере есть океаны с металлическим водородом.

Каждый элемент действует по-разному при интенсивном давлении и температуре. Например, нагревательная вода генерирует газ в виде водяного пара; замораживание создает твердый лед. Водород обычно представляет собой газ, но при высоких температурах и давлениях - условия, которые существуют в планетах, таких как Юпитер - водород, приобретают свойства жидкого металла и ведут себя как электрический проводник.Хотя ученые десятилетиями доказывали существование металлического водорода, было практически невозможно создать его на Земле.

Теперь исследователи используют мощный лазер OMEGA для импульсов в водородной капсуле. Лазер падает на образец, создавая высокотемпературное состояние, которое позволяет плотно связанным атомам водорода разрушаться. Когда это происходит, водород превращается из газообразного состояния в блестящее жидкое , подобно элементу ртути.

Лучшее понимание планет в нашей собственной солнечной системе также дает больше информации о магнитном экранировании экзопланет за пределами нашей солнечной системы - и может помочь определить возможность жизни на других планетах. Исследования давно задумались о том, что планеты с магнитными полями лучше способны выдерживать газовые атмосферы и, следовательно, с большей вероятностью будут поддерживать жизнь. Теория Динамо и магнитные поля являются ключевыми условиями обитаемости. Ежегодно сотни открытых экзопланет обнаруживаются за пределами нашей солнечной системы, и мы думаем, что многие из этих планет похожи на Юпитер и Сатурн. Пока не можем идти на эти планеты, но можем применить знания о супергигантах в нашей собственной солнечной системе.

Изображение алмазных наковален, сжимающих образец молекулярного водорода. При высоком давлении водород переходит в атомарное состояние, как показано справа. Источник: Dias & Silvera, 2017

Что касается давления, необходимого для получения металлического водорода, то с развитием квантовой механики и физики вообще стало понятно, что давление должно быть примерно в 20 раз более высоким, чем считалось ранее — не 25 ГПа, а 400 или даже 500 ГПа. Считается, что большие количества металлического водорода присутствуют в ядрах планет-гигантов — Юпитера, Сатурна и крупных внесолнечных планет. Благодаря гравитационному сжатию под газовым слоем должно находиться ядро из металлического водорода. Понятно, что для того, чтобы получить гигантское давление, нужны особые технологии и методы. Добиться желаемого получилось благодаря использованию двух алмазных наковален.

Прочность наковальни была усилена напылением из оксида алюминия, которое оказалось непроницаемым для атомов водорода. Образец водорода был сжат между заостренными концами двух алмазных наковален и при давлении в 495 ГПа ученые добились перехода образца в металлическую фазу.

Источник: Dias & Silvera, 2017

Во всяком случае, образец сначала потемнел, а затем стал отражать свет. При относительно низких показателях давления образец был непрозрачным, ток он не проводил. Эксперимент, проведенный Исааком Силвера (Isaac Silvera) и Ранга Диас (Ranga Dias), был повторным. Впервые добиться перехода водорода в металлическую фазу ученым удалось в середине 2016 года. Но результаты эксперимента нуждались в подтверждении, повторном опыте. Поскольку результаты изначального опыта подтвердились, их можно считать корректными.

К текущему результату ученые шли несколько лет. Только на то, чтобы достичь давления, при котором водород разбивается на индивидуальные атомы, у Силвера и Диас ушло три года. Давление, о котором идет речь — 380 ГПа.

После этого увеличение давления подразумевало необходимость усиления прочности алмазных наковален, которые использовались в эксперименте. Для этого стали напылять тончайшую пленку из оксида алюминия. Без усиления прочности алмазы, которые являются наиболее твердыми минералами на Земле, начинают разрушаться при увеличении давления выше показателя в 400 ГПа.

Пока что сложно сказать, какую форму металла получили англичане — твердую или жидкую. Сами они затрудняются сказать, хотя считают, что водород перешел в фазу жидкого металла, поскольку это предсказано расчетами. В чем они уверены, так это в том, что образец водорода после сжатия стал в 15 раз более плотным, чем до начала этой процедуры. Температура водорода, который поместили в алмазную наковальню, составила 15К. После перехода элемента в металлическую фазу его нагрели до 83 К, и он сохранил свои металлические свойства. Расчеты показывают, что металлический водород может быть метастабильным, то есть сохранять свои свойства даже после того, как внешние факторы, которые привели к переходу элемента в металлическую фазу, будут ослаблены.

Зачем человеку металлический водород? Считается, что в таком состоянии он проявляет свойства высокотемпературного сверхпроводника. Кроме того, метастабильные соединения металлического водорода могут использоваться в качестве компактного, эффективного и чистого ракетного топлива. Так, при переходе металлического водорода в молекулярную фазу высвобождается примерно в 20 раз больше энергии, чем при сжигании килограмма смеси кислорода и водорода — 216 Мдж/кг.

Металлический водород — совокупность фазовых состояний водорода, находящегося при высоком давлении и претерпевшего фазовый переход. Металлический водород представляет собой вырожденное состояние вещества и обладает некоторыми замечательными свойствами — высокотемпературной сверхпроводимостью и высокой удельной теплотой фазового перехода. Возможно существование твердой кристаллической и жидкой фазы металлического водорода, в которой отсутствует дальний порядок.

Содержание

История исследований

В 1935 год Ю. Вигнер и X. Б. Хантингтон предсказали переход водорода в металлическое состояние под действием высокого давления (около 25 ГПа) и потерю валентного электрона ядром [1] . В дальнейшем оценка давления, требуемого для фазового перехода, была повышена, но условия перехода всё же считаются потенциально достижимыми. Предсказание свойств металлического водорода ведется теоретически. Попытки получения, начатые в 1970-х годах, привели к серии опытов М. Еремец в 2008 и А так же Еремец и Троян 2011 годах [2] . Однако, имеются сомнения в получении металлического водорода [3] .

Теоретические свойства

Твердый металлический водород

Кристаллическая решетка твердого металлического водорода формируется ядрами водорода (протонами), находящимися друг от друга существенно ближе боровского радиуса, на расстоянии, сравнимом с длиной волны де Бройля электронов. Таким образом, электроны слабо связаны с протонами и формируют свободный электронный газ так же, как в металлах.

Жидкий металлический водород

Жидкий металлический водород образуется при плавлении твердого металлического водорода. В отличие от гелия-4, жидкого при нормальном давлении и температуре ниже 2,17 K, существование жидкого металлического водорода в таких условиях ставится под сомнение. Энергия нулевых колебаний в массиве плотно упакованных протонов велика, и переход от кристаллической фазы ожидается при высоких давлениях. Исследование максимальной точки плавления на диаграмме состояний водорода, проведенное Н. Ашкрофтом, допускает область давлений около 400 ГПа, при которых водород является жидким металлом при низких температурах [4] [5] . Егором Бабаевым было предсказано что металлический водород может представлять собой новое агрегатное состояние: металлическую сверхтекучую жидкость. [6] [7]

Сверхпроводимость

Металлический водород обладает сверхпроводимостью при температурах, вплоть до комнатной, что гораздо выше, чем в других материалах.

Экспериментальные попытки получения

Ударное сжатие: W. Nellis Предположительно получил металлический водород в экспериментах по ударному сжатию [8] Опыты 2008 и 2011 года. Ударное сжатие. Получение давлением в алмазных наковальнях.

Связь с другими областями физики

Металлический водород может существовать в ядрах планет-гигантов.

Применение

Предлагаются топливные ячейки, использующие отдачу энергии фазового перехода металлического водорода в диэлектрическое состояние при снятии давления.

См. также

Примечания

Проставить для статьи более точные категории.
Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное.
Перевести текст с иностранного языка на русский.

Физика твёрдого тела
Водород
Аллотропия
Сверхпроводимость
Металлы

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое "Металлический водород" в других словарях:

МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ВОДОРОД — совокупность фаз высокого давления водорода, обладающих металлич. свойствами. Возможность перехода водорода в металлич. фазу была впервые теоретически рассмотрена Ю. Вигнером и X. Б. Хантингтоном в 1935 [I] ^B дальнейшем по мере развития методов… … Физическая энциклопедия

водород — а; м. Химический элемент (H), лёгкий газ без цвета и запаха, образующий в соединении с кислородом воду. ◁ Водородный, ая, ое. В ые соединения. В ые бактерии. В ая бомба (бомба огромной разрушительной силы, взрывное действие которой основано на… … Энциклопедический словарь

Твёрдый водород — твёрдое агрегатное состояние водорода с температурой плавления −259,2 °C (14,16 К), плотностью 0,08667 г/см³ (при −262 °C). Белая снегоподобная масса, кристаллы гексагональной сингонии, пространственная группа P6/mmc, параметры ячейки a = 0,378… … Википедия

Магнезиум металликум - Magnesium metallicum, Магний металлический — Химический элемент 2 й группы периодической системы Менделеева. Встречается в природе в виде магнезита, доломита, карналлита, бишофита, оливина, каинита. Серебристый металл, при обычной температуре в сухом воздухе не окисляется, с холодной водой… … Справочник по гомеопатии

Юпитер — У этого термина существуют и другие значения, см. Юпитер (значения). Юпитер … Википедия

Юпитер (планета) — Юпитер, пятая по расстоянию от Солнца большая планета Солнечной системы, астрономический знак . Общие сведения. Ю. ‒ самая крупная из планет гигантов. Известен с древних времён. Движется вокруг Солнца на среднем расстоянии 5,203 а. е. (778 млн.… … Большая советская энциклопедия

Юпитер — I Юпитер в древнеримской мифологии и религии верховное божество. Первоначально бог света, в том числе ночного, исходящего от Луны. Почитался также как бог грома и молнии (отсюда объектами поклонения считались предметы, пораженные молнией … Большая советская энциклопедия

Уран (планета) — Уран … Википедия

Юпитер (планета) — У этого термина существуют и другие значения, см. Юпитер. Юпитер Улучшенное изображен … Википедия

Строение водорода — образец гениальной простоты. Не одно поколение физиков и химиков выросло на изучении этого вездесущего атома. Знакомый до мелочей дуэт протона и электрона при определённых условиях, включающих комнатную (!) температуру, может даже обладать сверхпроводимостью. А это путь к воплощению самых смелых идей.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №12(40). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Французский химик Жан-Батист Дюма назвал его газообразным металлом, а автор периодического закона Дмитрий Менделеев поместил во главе группы щелочных металлов. Какие свойства водорода делают его похожим на металлы?

Двухатомная молекула водорода (H₂)

Вступая в химические реакции, водород, как многие металлы, отдаёт валентный электрон и заряжается положительно. Однако есть отличие, которое не позволяет отнести водород к группе металлов. Атомы металлов способны собираться в кристаллические решётки — водород же этого делать не умеет.

А что, если увеличить давление? Возможно, при экстремально высоких давлениях атомы водорода сблизятся настолько, что расстояние между соседними ядрами окажется много меньше расстояния между электроном и ядром в атоме. И тогда электроны водорода будут собираться в электронный газ, свободно перемещаться по решётке и придавать веществу характерный блеск, как это происходит в металлах.

Так рассуждал английский физик Джон Бернал. В 1925 году он выдвинул гипотезу, что любое вещество, подвергнутое сильному сжатию, может стать металлоподобным.

Позже, в 1935‑м, американские физики Юджин Вигнер и Хиллард Хантингтон привели численные расчёты, согласно которым молекулярный водород переходит в атомарную металлическую фазу при давлении около 250 тыс. атмосфер. Плотность конечного продукта (0,59 г/см³) должна быть в 6 раз больше, чем у твёрдого молекулярного водорода (0,09 г/см³).

Кристаллическая решётка металлического водорода

Тридцать три года спустя, в 1968‑м, профессор Корнеллского университета Нейл Эшкрофт предсказал, что металлический водород будет сверхпроводником при комнатной температуре, а также обосновал парадоксальную возможность существования металлического водорода в виде… жидкости! Более точные расчёты 2016 года показали, что критическая температура металлического водорода при давлении в 5 млн атмосфер равна температуре перехода в сверхпроводящее состояние 215 К, то есть –58 °С.

Идея получения водородного сверхпроводника оказалась невероятно заманчива, оно и понятно. Только на линиях электропередачи из-за сопротивления материала мы теряем столько энергии, что простая замена меди сверхпроводником была бы равносильна вводу в эксплуатацию двух крупнейших в мире гидроэлектростанций. А обмотки из сверхпроводников способны приблизить коэффициент полезного действия электрических машин к заветной единице.

Металлический водород стал одним из важнейших объектов исследования в области физики высоких давлений. Эстафету подхватили астрофизики, предположив, что планеты-гиганты Юпитер и Сатурн представляют собой природные фабрики по производству гипотетического металла. Во-первых, они более чем на 90% состоят из водорода. Во-вторых, там холодно: даже летом на Юпитере –100°С. В-третьих, гиганты обладают мощным магнитным полем. Всё это наводит на мысль о существовании металлического сверхпроводникового ядра.

Рукотворная спутница Юпитера

Проблема получения металлического водорода заключается в том, что изучать поведение этого вещества при низких температурах и высоких давлениях оказалось непростой задачей. К тому же при высоких давлениях водород способен растворяться в металлах и буквально встраиваться в атомарную структуру сжимающих объектов.

В настоящее время высокие давления получают с помощью сжатия вещества в алмазной наковальне. Конечно, никаких кувалд там нет — наоборот, их устройство напоминает об искусстве лесковского Левши, только объекты здесь в тысячи раз меньше, чем блошиная подковка. Достаточно сказать, что типичный объём материалов составляет 1 кубический микрон. Установка представляет собой два огранённых искусственных алмаза, соприкасающихся остриями.

Если сжать алмазы с помощью пресса, то в месте их контакта достигается давление, часто превышающее предсказанные Вигнером 250 тыс. атмосфер. Сегодня исследователи уверенно работают с давлениями до 2 млн атмосфер, а рекорд вообще составил 3,75 млн!

Ячейка с алмазными наковальнями

За счёт высокой твёрдости алмазных кристаллов в небольшом объёме можно получить давление более 500 ГПа, что в полтора раза больше давления в центре Земли. Прозрачность алмазов позволяет с помощью электромагнитного излучения исследовать сжимаемое вещество.

Образец водорода был сжат между двумя алмазными наковальнями при давлении в 495 ГПа. Образец сначала потемнел, а затем стал отражать свет.

Основные затраты при изготовлении алмазных наковален приходятся на обработку наконечников кристаллов. Вершины бриллиантов — не просто конусы, а плоские площадки-калетты размером в несколько десятков микрон (обычно для давлений до 200 атмосфер используются наковальни с диаметром калетты 0,6–0,8 мм, до 1000 атмосфер — 0,1–0,2 мм). Калетты имеют металлическую подложку, наносимую литографским способом. Для работы с жидкими и газообразными субстанциями наковальни снабжают так называемыми гаскетами — отверстиями в тонкой металлической пластине, проложенной между калеттами. В гаскетах можно сжимать несколько кубических микрон образца.

Опыты на алмазных наковальнях показали, что при давлениях до 2 млн атмосфер водород может существовать по крайней мере в трёх квазиметаллических фазах, оставаясь при этом диэлектриком. Качественный переход возможен при достижении 4–4,5 млн атмосфер: охлаждённый почти до абсолютного нуля, водород должен стать сверхпроводником.

В январе 2017 года учёные Гарвардского университета Айзек Сильвера и Ранга Диас сообщили в журнале Science, что им удалось получить металлический водород в алмазных тисках при давлении в 5 млн атмосфер. Однако при попытке извлечь его один из алмазов рассыпался, а сам образец безвозвратно исчез. По утверждениям учёных, при сжатии водород в камере из прозрачного превратился в непрозрачный, что свидетельствует о переходе в металлическое состояние.

Металлическое топливо

Сегодня 80% мировой энергетики работает на углеводородном топливе: нефти, газе и угле. Их пагубное воздействие на окружающую среду и низкая эффективность заставляют учёных искать альтернативы. Соединения металлического водорода представляют собой компактное, эффективное и чистое топливо. При переходе его в обычную, молекулярную фазу высвобождается в 80 раз больше энергии, чем при сжигании угля, а продуктом горения является вода. К тому же водорода в природе очень много — 17 из каждых 100 атомов земной коры.

Как работает Z-машина

Sandia Z-machine — экспериментальная установка, предназначенная для исследования вещества в условиях экстремальных температур и давлений.

Заряженные электрические конденсаторы хранят и при необходимости высвобождают заряды. Конденсаторы преобразуют электричество в сжатые импульсы, которые передаются в контейнеры с газом.
Газ ионизируется с помощью лазеров, дополнительно сжимая импульсы и сокращая время ионизации.
Энергия рентгеновского излучения, генерируемая магнитно-импульсной плазмой в течение нескольких наносекунд, намного больше, чем вся энергия, выделяемая всеми электростанциями в мире.
Электричество перетекает в тонкий массив вольфрамовых проводов, сгруппированных в центральном отсеке размером с катушку ниток.

Но по-настоящему стабильный металлический водород — крепкий орешек, который ещё не скоро удастся расколоть (если говорить не о микрограммах, регулярно получаемых в лабораториях, а о сколько-нибудь объёмном производстве). Сейчас, в период сравнительно дешёвой нефти, водородное супертопливо потеряло актуальность. На время. Но оно обязательно придёт…

Металлический водород (гидроген) – это материал, который обладает уникальными свойствами. При комнатной температуре он является сверхпроводником. Применение такого материала в вычислительной технике позволяет значительно продвинуться в развитии компьютерных технологий. Однако он обладает и серьезным недостатком – высокой ценой производства.

Содержание статьи

Что такое металлический водород
Как добыть водород в домашних условиях
Водород как химический элемент

Физические свойства

Металлический водород состоит из сильно сжатых ядер гидрогена. В природе такое вещество встречается внутри газовых гигантов и звезд. Водород находится на первой позиции группы щелочных металлов в Периодической таблице Менделеева. В связи с этим ученые предполагали, что он может обладать ярко выраженными металлическими свойствами. Однако это теоретически возможно только при экстремальных давлениях. Атомные ядра металлического водорода находятся так близко друг к другу, что они разделены только плотной электронной жидкостью, протекающей между ними. Это значительно меньше плотности нейтрония – теоретически существующего вещества с бесконечной плотностью. В металлическом водороде электроны сливаются с протонами, чтобы образовать новый тип частиц - нейтроны. Как и все металлы, материал способен проводить электричество. Именно при подаче тока измеряют степень металлизации такого вещества.

История получения

Этот материал был впервые синтезирован в лабораторных условиях совсем недавно - в 1996 году. Это произошло в Ливерморской национальной лаборатории. Время существования металлического водорода было очень недолгим – около одной микросекунды. Потребовались температура около тысячи градусов и давление свыше миллиона атмосфер, чтобы добиться такого эффекта. Это стало полной неожиданностью для самих экспериментаторов, так как ранее считалось, что для получения металлического водорода требуется очень низкая температура. В предыдущих экспериментах твердый водород подвергался давлению до 2500000 атмосфер. При этом заметная металлизация отсутствовала. Эксперимент по сжатию горячего водорода был произведен только для того, чтобы измерить различные свойства материала при этих условиях, а не с целью получения металлического водорода. Тем не менее, он увенчался полным успехом.

Хотя металлический водород, произведенный в Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора, и был в твердом агрегатном состоянии, появилась теория, что это вещество можно получить и в жидком виде. С помощью расчетов было установлено, что такой материал может быть сверхпроводником при комнатной температуре, хотя это свойство пока неприменимо для практических целей, так как расходы на создание давления в миллион атмосфер гораздо выше, чем количество полученного материала в денежном эквиваленте. Однако есть небольшая вероятность того, что метастабильный металлический водород может существовать в природе. По предположениям специалистов он сохраняет свои параметры даже при отсутствии давления.

Считается, что металлический водород существует в ядрах крупных газовых гигантов в нашей солнечной системе. К ним относятся Юпитер и Сатурн, а также водородная оболочка вблизи ядра Солнца

Читайте также: