Революционный металлический водород впервые получили при низкой температуре

Исследователи из Гарвардского университета (США) впервые смогли получить в лаборатории металлический водород при низких температурах. Для этого им пришлось создать давление, выше, чем в центре Земли. Хотя металлический водород был предсказан почти столетие тому назад, исключительные трудности на пути получения этого материала долгое время делали его получение в твердой форме недостижимой мечтой. Соответствующая статья опубликована в Science.

Теоретики ещё в первой половине XX века показали, что обычный водород, существующий в виде двухатомных молекул, при росте давления постепенно потеряет молекулярную структуру. Его молекулы просто развалятся, образовав гораздо более плотно упакованный атомарный водород в твёрдой фазе.

Этот материал, широко распространённый в недрах Юпитера, обладает рядом уникальных свойств, которые делают его крайне многообещающим. По расчётам, он должен быть хорошим проводником — возможно, даже сверхпроводником. А, например, при плавлении металлического водорода должно выделяться в 21 раз больше энергии, чем при сжигании килограмма того же водорода в кислороде. В теории это делает его отличным ракетным топливом, на базе которого можно строить одноступенчатые ракеты и выводить в космос большую полезную нагрузку на ракете умеренных размеров.

Но, чтобы сделать всё это, нужно сперва получить такой водород. На протяжении длительного времени создать нужное для его получения давление удавалось только с помощью алмазных наковален с лазерным нагревом и уплотнением. Температура в таких наковальнях часто измерялась тысячами градусов — даже получив в них металлический водород, исследователи через миллисекунду тут же его теряли. Замерить его металлические свойства при низкой температуре достоверно не удавалось.

В этот раз учёные оптимизировали алмазную наковальню таким образом, чтобы получить металлический водород именно при малых температурах. Наковальня состоит из двух синтетических алмазов конической формы. Чтобы убрать дефекты в алмазах (избежать растрескивания при росте давления), их отполировали алмазной крошкой. Кроме того, их покрыли слоем глинозёма. С его помощью удалось блокировать диффузию водорода при высоких давлениях внутрь алмазов наковальни.

Диффундирующий водород быстро создаёт в алмазах дефекты, делающие их хрупкими, и дальнейшее сжатие водорода приводит к их разрушению. После модификации ячейку с алмазной наковальней использовали для получения металлического водорода при температуре 5,5 кельвина и давлении в 495 гигапаскалей. Это почти в пять миллионов раз выше атмосферного. 5,5 кельвина — рекордно низкая температура для такого давления. Спектроскопический анализ показал, что водород в новом материале находится в атомарном состоянии, а его плотность соответствует металлическому водороду.

Пока водород удалось получить в очень малых количествах, с помощью которых достоверно удалось прояснить лишь наличие у него свойств металла и высокой отражательный способности — он отражал порядка 0,91 от падавшего на него электромагнитного излучения. Однако в будущем исследователи надеются добиться получения достаточно больших количеств этого материала. В значимых количествах он должен быть метастабилен, как алмаз. Это значит, что хотя для его получения и требуется очень большое давление, однажды возникнув металлический водород остается стабильным даже в обычных условиях — при комнатной температуре и атмосферном давлении. Связано это с тем, что энергия, требующаяся для разрушения связей в таком материале столь велика, что в нормальных условиях такой переход не случится.

Ряд работ предсказывают у металлического водорода сверхпроводимость при комнатной температуре. На сегодня таких сверхпроводников получить ещё не удалось. 

Металлический водород при получении требует больших затрат энергии, и при его переходе в фазу газообразного (обычного) водорода эта энергия быстро высвобождается. В случае его применения в ракетных двигателях он может дать удельный импульс в 1700 секунд. Современные лучшие виды ракетного топлива дают цифры в районе 400 секунд. К тому же металлический водород в силу его метастабильности не потребует криогенных баков и не будет быстро утекать через их стенки в космосе (это ограничивает использование жидкого водорода в ракетах). С таким твёрдым топливом в теории можно создать одноступенчатые ракеты большой грузоподъёмности при умеренных затратах. В NASA его рассматривают как фактор, способный резко изменить расстановку сил в космической индустрии. Проверить, так это или нет возможно только на практике — после улучшения существующих методов его наработки.