Коли водень стає металом
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Якщо ви подивитеся на таблицю Менделєєва то зможете переконатися, що всі елементи першого вертикального ряду — метали, крім… водню, – він діелектрик! Вчені поставили собі завдання виправити цю несправедливість. Навіщо потрібно таке виправлення?
Теоретичні розрахунки показують, що, перетворивши водень в метал, ми отримали б унікальний надпровідник. Надпровідність, повна відсутність опору в речовині, спостерігається у багатьох металів і металевих сплавів, але тільки при надзвичайно низьких температурах. Нинішній чемпіон серед таких речовин – з’єднання ніобію і германію — стає надпровідним при температурі 23 градуси вище абсолютного нуля. А ось метал-водень ставав би надпровідником при незрівнянно більшій «спеці» – при 200 градусах Кельвіна.
Якби вдалося утримати металевий водень в стані надпровідності, це призвело б до справжньої революції в енергетиці. З’явилася б можливість передачі електроенергії на великі відстані без втрат. Притому металевий водень, говорить теорія, буде міцніше всіх інших металів на Землі.
Крім того, необхідно відзначити ще одне і, мабуть, не менш важливе достоїнство металевого водню. Він міг би бути ідеальним новим паливом як за кількістю енергії, укладеної в одиниці об’єму, так і за абсолютною відсутністю відходів при горінні. Єдиними «відходами» були б пари води.
Важкий і тернистий шлях в це «енергетичне Ельдорадо». Які фактори забезпечили успіх у такій важкій справі? Перш за все, народився матеріал, здатний витримати необхідні в експериментах супервисокі тиски — до 4 мільйонів атмосфер. Це карбонадо – високоміцна полікристалічна модифікація алмазу. Маючи в своєму розпорядженні карбонадо, вчені вирішили й інше завдання – створення нової камери, здатної генерувати настільки високі тиски.
«Традиційна», так звана алмазна камера має два ковадла,— як правило, з монокристалів природного алмазу в формі усічених пірамід, між якими знаходиться речовина, що стискається. Так як речовина під таким тиском схильна розтікатися в сторони, то вона поміщається в спеціальне гніздо, що має форму плоскої шайби з отвором; гніздо перешкоджає розтіканню, але, на жаль, зменшує ефективний тиск, прикладений до досліджуваного зразка. Тому така камера, при всіх її безперечних перевагах, не дозволяє отримувати тиски вище півтора мільйонів атмосфер. Крім того, чим вище тиск, який треба створити, тим сильніше доводиться зменшувати розміри майданчиків при вершині пірамід, а це створює додаткові труднощі, так як вимагає дуже ретельного суміщення осей пірамід.
Нова камера включає в себе два ковадла, виготовлені з карбонадо, при цьому нижня ковадло — плоска, а верхня — конічна, з великим кутом при вершині конуса і закругленою вершиною. При такій конструкції відпадає необхідність в центруванні, а досліджувана речовина утримується від розтікання внутрішнім тертям завдяки тому, що стикається з ковадлами на більшій площі, ніж в алмазній камері. У карбонадо є провідний міжкристалічний прошарок, тому можна вимірювати електричний опір досліджуваної речовини, а ковадла служать одночасно і електродами.
Вчені зіткнулися і з такими труднощами: немає приладів для вимірювання тисків в мільйони атмосфер, подібно до того, як немає термометрів для вимірювання температур в мільйони градусів або вольтметрів для вимірювання напруг в мільйони вольт. У вирішенні цієї проблеми також допомогла нова конструкція камери. Вона дозволила вимірювати площу відбитка, який залишають конус з карбонадо і речовина, що стискається на плоскому ковадлі. Розділивши величину зусилля, що додавалося до ковадлів, на площу відбитка, ми отримаємо тиск, що діяв на речовину, якщо вважати, що тиск був рівномірно розподілений по всій цій площі.
Однак вимірювання тиску і електроопору досліджуваної речовини самі по собі не були кінцевою метою досліджень. Такий тиск дозволяв отримати водень в металевому стані, але до яких же пір він збереже цей свій стан, якщо поступово знижувати тиск? Всі речовини, піддані дії тисків і температур, при деяких значеннях цих параметрів зазнають фазові перетворення. В одних випадках перетворення відбуваються зі зміною агрегатного стану. Це, наприклад, кипіння рідини з утворенням пари або замерзання її з утворенням льоду.
В інших випадках тверде тіло, скажімо, так і залишається твердим, але змінюється його внутрішня структура і пов’язані з нею властивості (механічні, електричні, оптичні). Природа відвела кожному стану речовини свою область тисків і температур, звану областю стабільності, де він може існувати без змін теоретично нескінченно довго. Однак це не означає, що не можна речовину тимчасово зберегти в даному стані в «чужій» області, по відношенню до якої вона називається метастабільною (від грецького слова «мета», що означає «поза», за межами). Слід зауважити, що речовина в метастабільному стані може перебувати і досить довго.
Воду, яка повинна перетворюватися в пар при 100 градусах Цельсія і тиску в 1 атмосферу, можна спеціальними прийомами зберегти рідкою до 104 градусів Цельсія. Тверде тіло, де дифузія атомів або молекул більш утруднена, ніж у рідині, можна перевести в «чужу» область набагато глибше. Класичний приклад метастабільної речовини, яка знаходиться далеко в «чужій» області — алмаз. З теоретичної точки зору він не повинен існувати при тисках нижче 15 тисяч атмосфер, і стабільна тут для вуглецю інша форма — графіт. Звичайне віконне скло демонструє метастабільний стан рідкого скла, яке при охолодженні не встигає утворити кристалічну структуру. Фактично ми маємо справу з переохолодженою рідиною, що зберегла характерну для рідини будову, але знаходиться в «чужій» області, де стабільно мало б бути тільки тверде кристалічне скло. Зовсім недавно вчені навчилися отримувати в склоподібному стані навіть метали.
Загартування металів і сплавів теж в тому і полягає, що нагрітий до високих температур метал, наприклад сталь, швидко охолоджується і при цьому зберігається метастабільна структура з необхідними фізико-механічними властивостями (твердістю, міцністю, пластичністю і т.д.). Метастабільний стан, наприклад мартенсит, в сталі зберігається завдяки тому, що дифузія атомів вуглецю дуже утруднена при звичайних температурах. Однак при нагріванні загартованої сталі навіть до не дуже високих температур (200-300 градусів Цельсія) швидкість дифузії атомів вуглецю різко зростає, і матеріал повертається в початковий стан, стабільний при звичайних температурах.
Приклад алмазу показує, що речовина, отримана при високих тисках і збережена в метастабільному стані після зняття тиску, має володіти багатьма чудовими властивостями. Техніка високого тиску вже дозволила створювати метастабільні речовини та сполуки з високою міцністю, великою електропровідністю, високою температурою переходу в надпровідний стан та іншими «видатними» властивостями. Чим вище тиск, відповідний області існування даної фази речовини, тим сильніше її властивості повинні відрізнятися від властивостей тої ж речовини при звичайних тисках. Зокрема, всі речовини стають металами, навіть такі діелектрики, як інертні гази. Однак природа нічого не дає дарма: чим вище тиск, потрібний для переходу в нову фазу, тим важче утримати потім речовину в метастабільному стані. Проте метастабільну фазу можна виявити експериментально і в таких випадках.
Експеримент з виявлення металевого водню полягав у наступному; на ковадлі, охолодженому до температури 4,2 градуса Кельвіна (температура кипіння гелію при атмосферному тиску), наморожували тонкий шар твердого молекулярного водню, температура затвердіння якого 14 градусів Кельвіна. Цей шар стискали між ковадлами. До ковадл підводять електричну напругу і вимірюють електроопір водню, що знаходиться між ними. Твердий молекулярний водень – діелектрик, його опір більше 100 мільйонів ом, так що струм в ланцюзі практично відсутній. Однак при досягненні деякого критичного тиску – близько 2 мільйонів атмосфер — в ланцюзі раптово, стрибком з’являється електричний струм.
Опір зменшується в мільйони разів – з сотень мільйонів до десятків ом. Значить, стався перехід речовини в нову фазу, твердий молекулярний водень перетворився в металевий водень!
Якщо тепер дещо знизити навантаження і почати поступово відігрівати ковадла, то перехід водню назад в непровідну фазу відбудеться після нагріву приблизно до 19 градусів Кельвіна. Подібні ж області існування метастабільної металевої фази були виявлені у інших досліджених речовин, сірки, води, фосфору, кухонної солі, окису алюмінію, окису магнію та інших (при звичайних тисках вони — діелектрики). Ці експерименти дуже обнадіюють. Виходить, що метастабільність — властивість, притаманна, мабуть, всім станам речовини, отриманим при супервисоких тисках. Завдання, що стоїть перед вченими, – навчитися зберігати ці стани, а отже, і їх чудові властивості, при звичайних умовах. Зрозуміло, що найбільша увага приділяється металевому водню.
Чи можна утримати його в метастабільному стані, хоча б при дуже низькій температурі, аж до звичайних тисків, і які шляхи існують для досягнення цієї мети? Згадаймо аналогію з перегрітою рідиною. Для утримання води в метастабільному стані слід створити умови, що перешкоджають вільній дифузії її молекул до центрів утворення бульбашок пари (нової фази). Один з можливих шляхів отримання метастабільного металевого водню – створення перешкод для вільної дифузії атомів водню. Це, мабуть, можна здійснити, ввівши у водень ті чи інші добавки, а також впливаючи на нього сильним зовнішнім магнітним полем.
Використовувана в даний час методика експерименту дозволяє працювати поки лише з дуже тонкими шарами водню. А в тонких шарах велику роль відіграють поверхневі сили, тому і поведінка речовини тут може відрізнятися від його поведінки в зразках більшої товщини.
Не виключено, що збільшення обсягу шару водню призведе до збереження водню металевим в більш широкому діапазоні тисків і температур.
Завдання це ще повністю не вирішене, але, як це часто буває в наукових дослідженнях, методи, розроблені для вирішення однієї наукової задачі, виявилися плідні для дослідження цілого ряду суміжних проблем. Залучення для вирішення цієї основної задачі великого колективу вчених-теоретиків і експериментаторів — призвело до появи абсолютно нових методів створення і вимірювання супервисоких тисків і вивчення властивостей речовини в цих умовах. Так з’явилася алмазна камера високого тиску, потім камера із застосуванням карбонадо, де вдається статично стискати речовину до декількох мільйонів атмосфер. А зовсім недавно це можна було зробити тільки за допомогою ударних хвиль і, значить, лише на тисячні частки секунди. Експериментаторам вдалося виміряти при високих тисках фізичні властивості багатьох речовин, їх електропровідність, структуру, оптичне поглинання, виявити в ряді випадків надпровідність.
Що ж стосується водню, то виявлення його метастабільного металізованого стану вже являє собою важливий крок до вирішення самої основної задачі.
Варто, мабуть, додати наступне. Вчені, що вивчають планети-гіганти, вже давно висловили ідею, що водень — основний «конструкційний» матеріал, з якого «побудовані» ці планети. В їх ядрах він знаходиться, мабуть, в металізованому стані — через величезні тиски, що існують в центрі важких планет Сонячної системи.
Автор: Л. Понизовський.