Когда водород становится металлом

Если вы посмотрите на таблицу Менделеева, то сможете убедиться, что все элементы первого вертикального ряда — металлы, кроме… водорода,— он диэлектрик! Ученые поставили себе задачу исправить эту несправедливость. Зачем нужно такое исправление?

Теоретические расчеты показывают, что, превратив водород в металл, мы получили бы уникальный сверхпроводник. Сверхпроводимость, полное отсутствие сопротивления в веществе, наблюдается у многих металлов и металлических сплавов, но только при чрезвычайно низких температурах. Нынешний чемпион среди таких веществ — соединение ниобия и германия — становится сверхпроводимым при температуре 23 градуса выше абсолютного нуля. А вот металл-водород становился бы сверхпроводником при несравненно большей «жаре» — при 200 градусах Кельвина.

Если бы удалось удержать металлический водород в состоянии сверхпроводимости, это привело бы к настоящей революции в энергетике. Появилась бы возможность передачи электроэнергии на большие расстояния без потерь. Притом металлический водород, говорит теория, будет прочнее всех остальных металлов на Земле.

Кроме того, необходимо отметить еще одно и, по-видимому, не менее важное достоинство металлического водорода. Он мог бы быть идеальным новым топливом как по количеству энергии, заключенной в единице объема, так и по абсолютному отсутствию отходов при горении. Единственными «отходами» были бы пары воды.

Труден и тернист путь в это «энергетическое Эльдорадо». Какие факторы обеспечили успех в таком трудном деле? Прежде всего, родился материал, способный выдержать необходимые в экспериментах супервысокие давления — до 4 миллионов атмосфер. Это карбонадо — высокопрочная поликристаллическая модификация алмаза.. Имея в своем распоряжении карбонадо, ученые решили и другую задачу — создание новой камеры, способной генерировать столь высокие давления.

«Традиционная», так называемая алмазная камера имеет две наковальни,— как правило, из монокристаллов естественного алмаза в форме усеченных пирамид, между которыми находится сжимаемое вещество. Так как вещество под таким давлением склонно растекаться в стороны, то оно помещается в специальное гнездо, имеющее форму плоской шайбы с отверстием; гнездо препятствует растеканию, но, к сожалению, уменьшает эффективное давление, приложенное к исследуемому образцу. Поэтому такая камера, при всех ее несомненных достоинствах, не позволяет получать давления выше полутора миллионов атмосфер. Кроме того, чем выше давление, которое надо создать, тем сильнее приходится уменьшать размеры площадок при вершине пирамид, а это создает дополнительные трудности, так как требует очень тщательного совмещения осей пирамид.

Новая камера включает в себя две наковальни, изготовленные из карбонадо, при этом нижняя наковальня — плоская, а верхняя — коническая, с большим углом при вершине конуса и закругленной вершиной. При такой конструкции отпадает необходимость в центровке, а исследуемое вещество удерживается от растекания внутренним трением благодаря тому, что соприкасается с наковальнями на большей площади, чем в алмазной камере. В карбонадо есть проводящая межкристаллитная прослойка, поэтому можно измерять электрическое сопротивление исследуемого вещества, а наковальни служат одновременно и электродами.

Ученые столкнулись и с такой трудностью: нет приборов для измерения давлений в миллионы атмосфер, подобно тому, как нет термометров для измерения температур в миллионы градусов или вольтметров для измерения напряжений в миллионы вольт. В решении этой проблемы также помогла новая конструкция камеры. Она позволила измерять площадь отпечатка, который оставляют конус из карбонадо и сжимаемое вещество на плоской наковальне. Разделив величину усилия, прилагавшегося к наковальням, на площадь отпечатка, мы получим давление, действовавшее на вещество, если считать, что давление было равномерно распределено по всей этой площади.

Однако измерения давления и электросопротивления исследуемого вещества сами по себе не были конечной целью исследований. Такое давление позволяло получить водород в металлическом состоянии, но до каких же пор он сохранит это свое состояние, если постепенно снижать давление? Все вещества, подвергнутые действию давлений и температур, при некоторых значениях этих параметров претерпевают фазовые превращения. В одних случаях превращения происходят с изменением агрегатного состояния. Это, например, кипение жидкости с образованием пара или замерзание ее с образованием льда.

В других случаях твердое тело, скажем, так и остается твердым, но изменяется его внутренняя структура и связанные с ней свойства (механические, электрические, оптические). Природа отвела каждому состоянию вещества свою область давлений и температур, называемую областью стабильности, где оно может существовать без изменений теоретически бесконечно долго. Однако это не означает, что нельзя вещество временно сохранить в данном состоянии в «чужой» области, по отношению к которой оно называется метастабильным (от греческого слова «мета», означающего «вне», за пределами). Следует заметить, что вещество в метастабильном состоянии может находиться и весьма долго.

Воду, которая должна превращаться в пар при 100 градусах Цельсия и давлении в 1 атмосферу, можно специальными приемами сохранить жидкой до 104 градусов Цельсия. Твердое тело, где диффузия атомов или молекул более затруднена, чем в жидкости, можно перевести в «чужую» область гораздо глубже. Классический пример метастабильного вещества, которое находится далеко в «чужой» области,— алмаз. С теоретической точки зрения он не должен существовать при давлениях ниже 15 тысяч атмосфер, и стабильна здесь для углерода другая форма — графит. Обычное оконное стекло демонстрирует метастабильное состояние жидкого стекла, которое при охлаждении не успевает образовать кристаллическую структуру. Фактически мы имеем дело с переохлажденной жидкостью, сохранившей характерное для жидкости строение, но находящейся в «чужой» области, где стабильно должно было бы быть только твердое кристаллическое стекло. Совсем недавно ученые научились получать в стеклообразном состоянии даже металлы.

Закалка металлов и сплавов тоже в том и состоит, что нагретый до высоких температур металл, например сталь, быстро охлаждается и при этом сохраняется метастабильная структура с требуемыми физико-механическими свойствами (твердостью, прочностью, пластичностью и т. д.). Метастабильное состояние, например мартенсит, в стали сохраняется благодаря тому, что диффузия атомов углерода очень затруднена при обычных температурах. Однако при нагреве закаленной стали даже до не очень высоких температур (200—300 градусов Цельсия) скорость диффузии атомов углерода резко возрастает, и материал возвращается в исходное состояние, стабильное при обычных температурах.

Пример алмаза показывает, что вещество, полученное при высоких давлениях и сохраненное в метастабильном состоянии после снятия давления, должно обладать многими замечательными свойствами. Техника высоких давлений уже позволила создавать метастабильные вещества и соединения с высокой прочностью, большой электропроводимостью, высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние и другими «выдающимися» свойствами. Чем выше давление, соответствующее области существования данной фазы вещества, тем сильнее ее свойства должны отличаться от свойств того же вещества при обычных давлениях. В частности, все вещества становятся металлами, даже такие диэлектрики, как инертные газы. Однако природа ничего не дает даром: чем выше давление, нужное для перехода в новую фазу, тем трудней удержать затем вещество в метастабильном состоянии. Тем не менее, метастабильную фазу можно обнаружить экспериментально и в таких случаях.

Эксперимент по обнаружению металлического водорода состоял в следующем; на наковальни, охлажденные до температуры 4,2 градуса Кельвина (температура кипения гелия при атмосферном давлении), намораживали тонкий слой твердого молекулярного водорода, температура затвердевания которого 14 градусов Кельвина. Этот слой сжимали между наковальнями. К наковальням подводят электрическое напряжение и измеряют электросопротивление находящегося между ними водорода. Твердый молекулярный водород — диэлектрик, его сопротивление более 100 миллионов ом, так что ток в цепи практически отсутствует. Однако при достижении некоторого критического давления — порядка 2 миллионов атмосфер — в цепи внезапно, скачком появляется электрический ток.

Сопротивление уменьшается в миллионы раз — с сотен миллионов до десятков ом. Значит, произошел переход вещества в новую фазу, твердый молекулярный водород превратился в металлический водород!

Если теперь несколько снизить нагрузку и начать постепенно отогревать наковальни, то переход водорода обратно в непроводящую фазу произойдет после нагрева примерно до 19 градусов Кельвина. Подобные же области существования метастабильной металлической фазы были обнаружены у других исследованных веществ, серы, воды, фосфора, поваренной соли, окиси алюминия, окиси магния и других (при обычных давлениях они — диэлектрики). Эти эксперименты весьма обнадеживают. Получается, что метастабильность — свойство, присущее, по-видимому, всем состояниям вещества, полученным при супервысоких давлениях. Задача, стоящая перед учеными,— научиться сохранять эти состояния, а следовательно, и их замечательные свойства, при обычных условиях. Понятно, что наибольшее внимание уделяется металлическому водороду.

Можно ли удержать его в метастабильном состоянии, хотя бы при очень низкой температуре, вплоть до обычных давлений, и какие пути существуют для достижения этой цели? Вспомним аналогию с перегретой жидкостью. Для удержания воды в метастабильном состоянии следует создать условия, препятствующие свободной диффузии ее молекул к центрам образования пузырьков пара (новой фазы). Один из возможных путей получения метастабильного металлического водорода — создание препятствий для свободной диффузии атомов водорода. Это, по-видимому, можно осуществить, введя в водород те или иные добавки, а также воздействуя на него сильным внешним магнитным полем.

Используемая в настоящее время методика эксперимента позволяет работать пока лишь с очень тонкими слоями водорода. А в тонких слоях большую роль играют поверхностные силы, поэтому и поведение вещества тут может отличаться от его поведения в образцах большей толщины.

Не исключено, что увеличение объема слоя водорода приведет к сохранению водорода металлическим в более широком диапазоне давлений и температур.

Задача эта еще полностью не решена, но, как это часто бывает в научных исследованиях, методы, разработанные для решения одной научной задачи, оказались плодотворны для исследования целого ряда смежных проблем. Привлечение для решения этой основной задачи большого коллектива ученых — теоретиков и экспериментаторов — привело к появлению совершенно новых методов создания и измерения супервысоких давлений и изучения свойств вещества в этих условиях. Так появилась алмазная камера высокого давления, затем камера с применением карбонадо, где удается статически сжимать вещество до нескольких миллионов атмосфер. А совсем недавно это можно было сделать только при помощи ударных волн и, значит, лишь на тысячные доли секунды. Экспериментаторам удалось измерить при высоких давлениях физические свойства многих веществ, их электропроводность, структуру, оптическое поглощение, обнаружить в ряде случаев сверхпроводимость.

Что же касается водорода, то обнаружение его метастабильного металлизированного состояния уже представляет собой важный шаг к решению самой основной задачи.

Стоит, пожалуй, добавить следующее. Ученые, изучающие планеты-гиганты, уже давно высказали идею, что водород — основной «конструкционный» материал, из которого «построены» эти планеты. В их ядрах он находится, по-видимому, в металлизированном состоянии — из-за огромных давлений, существующих в центре тяжелых планет Солнечной системы.

Автор: Л. Понизовский.