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.

Космический корабль NASA «Юнона» исследует структуру и конвекцию внутреннего пространства Юпитера, достигая верхнего слоя атмосферы планеты через метеорологический слой. На схеме показано возможное внутреннее «скальное» ядро, окружённое металлической водородной оболочкой (синее) и внешней ­оболочкой из молекулярного водорода (коричневое), всё скрыто под облаком. Данные «Юноны» о гравитационном поле планеты дадут новые подсказки о ядре ­Юпитера.

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.

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!

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.

Возможно, эта сверхзадача будет решена на крупнейшем в мире источнике рентгеновского излучения Sandia Z-machine, создающем экстремальные температуры и давления. Теоретически эта установка способна развивать кратковременное (порядка нескольких микросекунд) давление до 20 млн атмосфер. Во всяком случае, отметка «15 млн» уже пройдена научными группами из Ливерморской национальной лаборатории (США), НИИЭФ и Института проблем химической физики РАН (Россия). А единичные результаты, полученные в период с 2014 по 2018 год физиками из коллаборации университетов Эдинбурга, Рочестера, Вашингтона, Беркли и французского Комиссариата по альтернативной и атомной энергии, показали, что при больших давлениях водород способен из жидкого ди­электрика кратковременно превращаться в жидкий металл — при температурах порядка 2000°С.

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…