металевий водень
Вступаючи в хімічну реакцію, водень віддає свій електрон і заряджається позитивно, те ж саме відбувається і з металом. Але в останнього є суттєва особливість, яка, може бути, і є єдиною перешкодою на шляху перетворення водню в метал. Весь секрет полягає в кристалічній решітці, атоми металу розташовані в ній, як апельсини на вітрині фруктового магазину. Така близькість атомів один до одного і відносна віддаленість зовнішніх ядерних електронів від власних ядер призводить до того, що електрони легко залишають свої атоми і хаотично кочують від одного атома до іншого. Зовсім інакша ситуація у газоподібного водню, тут відстань між атомами в сотні разів більше, та й електрон сильніше пов'язаний з ядром.
Саме на це розходження в будові речовин і звернув увагу англійський учений Джон Бернал. Хід його міркувань гранично логічний. Для перетворення речовини в метал потрібно домогтися щільної упаковки атомів. Тому будь-яка речовина, піддане сильному стиску, може стати металоподібними - ось ця думка і лягла в основу гіпотези, висунутої ним в 1925 році. А через кілька років учені Е. Вігнер та Х. Хантінтон зробили розрахунки потрібного тиску. Виявилося, що у водню, стиснутого до 1000 атм. відстані між атомами зменшуються лише в 10 раз, стисненого до 1 млн. атм. - в 100 разів і стають близькими відстаням між атомами в кристалічній решітці. Металевий водень, зробили висновок теоретики, можна отримати при тиску від 1 до 2,6 млн. Атм. Таке завдання і поставили вони перед інженерами. Але існувала в 30-х роках техніка не змогла досягти рубежу такого високого тиску, і ідеї металевого водню залишалося лише чекати своєї години.
Помітною віхою в історію водню увійде 1968 рік, коли фізик Т. Шнайдер висловив припущення, що металевий водень обов'язково повинен бути надпровідників при нормальній температурі. Відлуння його статті не замовкає до сих пір, в похід за металевим воднем вирушили нові загони вчених. Всі уявляють, що труднощі його отримання як і раніше великі, але аж надто привабливі перспективи володіння цією "жар-птицею". У нашій країні тільки лініях електропередачі тепер витрачається стільки енергії, що проста заміна міді сверхпроводником рівносильна введенню в дію двох найбільших в світі гідроелектростанцій. А якщо з надпровідника робити обмотки електричних машин, то їх к. П. Д. Впритул наблизиться до заповітної одиниці.
При розробці надпровідних магнітів на такому сверхпроводнике відпаде необхідність в дуже складних в експлуатації кріогенних системах. Адже в разі порушення надпровідності збережена в обмотці електрична енергія перетворюється в теплову і це нерідко призводить до вибуху всієї системи. Металевий водень міг би служити прекрасним паливом для ракет, за теплотворною здатністю він в три з гаком рази перевершує бензин. А якщо на водні працюватимуть автомобілі, то з порядку денного зніметься нарешті проблема забруднення повітря, водяна пара стане єдиним вмістом вихлопних газів.
Вигоди застосування металевого водню очевидні, але що може дати вченим техніка високих тисків? У 70-х роках минулого століття найпотужніші преси забезпечували тиск до 700 тис. Атм. але справа навіть не в пресах, а в матеріалі, який зміг би протистояти такому високому тиску. Карбід вольфраму, застосовуваний і в даний час для камер високого тиску, вже при 400 тис. Атм. пливе, як масло на сковорідці. Слово знову за вченими: буде матеріал - з'явиться і металевий водень.
Американські вчені в тих же 70-х вирішили отримати гігантські тиску, не чекаючи матеріалу, а за допомогою миттєвого обтиску потужного магнітного поля у напрямку досередини вибухом. Метод відносно простий. В мідну трубку діаметром близько 2,5 см наливають рідкий водень і закупорюють її з обох кінців поліметілметакрілатом - звичайним оргстеклом. Трубку поміщають в трубу з нержавіючої сталі діаметром близько 10 см і створюють в ній високий вакуум. Трубу в трубі поміщають в спеціальний контейнер з вибухівкою і всю систему укладають в індукційну котушку великої потужності. При пропущенні струму в просторі між трубами виникає потужне магнітне поле, яке під час вибуху миттєво стискається до центру трубки і створює величезний тиск. За розрахунками рідкий водень повинен стиснутися до 1/5 початкового об'єму, це може привести до перетворення рідкого водню в металевий, якщо електронні прилади встигнуть зареєструвати коротку мить його існування. Усе інше, що зробить вибух, абсолютно ясно - він не залишить і сліду від того, що, можливо, і буде металевим воднем. І все ж отримання металевого водню таким способом сумнівно, тому що тепло, що виділяється в результаті вибухового характеру наростання тиску, може значно підвищити рівень переходу рідкого водню в металевий. Замість розрахункових 1-2 млн. Атм. буде потрібно значно більший тиск, а попередні досліди показали, що метод дозволяє отримати трохи більше мільйона атмосфер.
Поки створювалася техніка високих тисків, металевий водень знайшли астрономи і астрофізики. Вони заявили, що причиною незначних змін орбіт Юпітера і Сатурна є якісь внутрішні обурення, обумовлені хімічним складом планет. Оскільки тиску в їхніх надрах обчислюються мільйонами атмосфер, то природно припустити існування в цих умовах металевого водню. А якщо виходити з величин зміни орбіт, то Юпітер і Сатурн, принаймні наполовину, повинні складатися з металевого водню.
Значить, металевий водень існує в природі, хоча до цих пір залишається загадкою. Чи не перетвориться він знову в газ, коли тиск буде знято?
Джерело: 1971 ЮТ, №7
Що ж сьогодні може дати техніка високих тисків? Хорошу інформацію можна знайти на цьому ресурсі. Нижче я виділив найбільш важливу (як мені здається) частину.
Для отримання надвисоких тисків сьогодні використовують зазвичай або алмазні ковадла (статичне стиснення), або вибухові методи (динамічне стиснення).
Алмазна ковадло пристосування досить просте і невелике (правда, коштує вона 10 000 $). Два алмазу огранювати спеціальним чином (а ось це дуже непросто) і між їхніми центральними плоскими поверхнями усередині порожнини розташовують зразок. У порожнині обов'язково є металева прокладка. Після того як каміння здавлюють, на зразок діє тиск, назад пропорційне площі нижньої плоскої частини алмаза, діаметр якої 20 600 мкм.
Працювати з воднем дуже важко. Він не тільки фізично проникає в метал прокладки і робить його крихким, але і вступає з ним у хімічні реакції, утворюючи гідриди. Стиснутий до певного тиску, водень переходить в молекулярне кристалічний стан, перетворюючись в досить незвичайну субстанцію. Ймовірно, це пов'язано з властивостями молекули водню вона така легка, що навіть в твердому кристалічному стані при невеликих тисках молекули продовжують обертатися.
За останні чверть століття після винаходу алмазних наковален дослідники системно вивчили властивості твердого водню аж до тиску 2 млн. Атм. (Останній рекорд 3.75 млн. Атм.). Тепер вчені знають, що навіть при цих тисках існують, принаймні, три фази металевого водню, причому кожна з них робить перехід діелектрик - метал при своєму значенні тиску. Одна при 1.6 млн. Атм. коли інші фази ще залишаються діелектриками. Останні теоретичні дані дозволяють сподіватися, що весь водень перейде в металеву фазу при 4 млн. Атм (при 0 гр. К).
Знову ж залишається відкритим питання, розпадається при цьому водень на атоми або залишається в молекулярному стані. Уже відомо, що «колеги» водню за властивостями бром і йод стають провідниками при високому тиску саме в процесі плавлення, тобто в атомарному вигляді. З іншого боку, є дані, що в статичних експериментах при досягнутих тисках водень знаходиться в основному у вигляді молекул.
Набагато більш продуктивний спосіб отримання високих тисків вибуховий метод, коли експериментатори вдаряють по осередку зі зразком металевими пластинами або струменем газу, прискореними до гіперзвукових швидкостей. Зараз існують запрограмувати новий короткостроковий ударного стиснення, в яких водень можна стискати до 10 млн. Атм.
У момент удару, коли тиск досягає мільйонів атмосфер, водень неминуче нагрівається до тисяч градусів Кельвіна і переходить в рідкий стан. Вчені намагаються придумати, як зменшити температури в експерименті, але поки це все одно тисячі градусів. Більш того, через мікросекунди, коли закінчується дія ударної хвилі, водень знову стає газом, тому поміряти щось дуже складно.
Але, вирішуючи проблему атомної бомби, вчені навчилися з цим справлятися. У динамічних експериментах вимірюють щільність водню, просвічуючи зразок рентгенівським випромінюванням, або судять про те, що відбувається, за сигналами від оптичних і електричних датчиків. Таким чином тиск у таких дослідах величина розрахункова.
Останній рекорд 15 млн. Атм. Високого тиску вдалося досягти вченим з Ліверморської національної лабораторії (США), а вУкаіни дослідникам з Всесоюзного науково-дослідного інституту експериментальної фізики (м Саров) та Інституту проблем хімічної фізики РАН (м Черноголовка).
Вимірюючи опір в динамічних експериментах, дослідники бачили, що водень стає провідником, з провідністю майже як у рідких металів. Але ця провідність все-таки слабо залежала від температури, що свідчить, що водень ще не метал. Вчені характеризують стан водню, яке вони спостерігають в динамічних експериментах, як «невпорядкована проводить середовище» (неупорядкована так як температури занадто високі) або «щільна низькотемпературна неідеальна плазма», а з'являється ефект провідності «іонізація тиском».
Так що металевий водень в стабільному стані отримати до сих пір не вдалося.