После 80-летних безуспешных поисков физикам, наконец, достоверно удалось получить металлический водород. Именно в такой форме он существует в недрах гигантских планет – и может использоваться в технологиях будущего.

...Металли́ческий водоро́д — совокупность фазовых состояний водорода, находящегося при крайне высоком давлении и претерпевшего фазовый переход. Металлический водород представляет собой вырожденное состояние вещества и, по некоторым предположениям, может обладать некоторыми замечательными свойствами — высокотемпературной сверхпроводимостью и высокой удельной теплотой фазового перехода. Предсказан теоретически и впервые синтезирован в лабораторных условиях в 1996 году в Ливерморской национальной лаборатории. Время существования металлического водорода было очень недолгим – около одной микросекунды. В 2017 году учёными из Гарварда был получен образец стабильного металлического водорода...

Вы спросите: что может иметь общего водород со свойствами металла? Ведь водород — это газ, а металлы — твердые тела, совершенно непохожие на газ. Это действительно так, но только в привычных условиях: при нормальном давлении и обычной комнатной температуре. При таких условиях водород имеет форму газа. Но достаточно газообразный водород охладить до температуры 20 К, чтобы получить легкую жидкость, литр которой весит всего лишь 70 граммов. Если такую жидкость охладить только на шесть градусов, получается уже вполне приличное твердое тело, впрочем тоже очень легкое — литр замороженного водорода весит 80 граммов. Но это не ожидаемый металлический водород, наоборот: по свойствам он далек от металлов. Скорее можно сказать, что это типичный изолятор. Что же следует сделать, чтобы получить металлическую модификацию водорода?

Для ответа на эти вопросы нужно познакомиться с микроскопическим строением застывшего водорода. Когда один атом водорода находится достаточно близко к другому, они начинают взаимно притягиваться слабыми силами, называемыми силами Ван дер-Ваальса. При соответствующей низкой температуре эти силы вызывают «склеивание» атомов водорода в твердое тело. Но силы Ван дер-Ваальса настолько слабы, что удерживают атом водорода только при очень низкой температуре, когда возможности движения атомов невелики.

А теперь подумаем, что произойдет, если начать повышать температуру. Оказывается, каждый атом получит дополнительную энергию, а вследствие этого начнет сильнее колебаться. Когда колебания станут достаточно сильными, произойдет разрыв слабой кристаллической структуры водорода, и твердый водород расплавится. Как вы видите, твердый водород «не желает» быть металлом, а став им, бывает очень нестабилен. 

Представляется, что в такой ситуации следовало бы усилить воздействие между атомами. Но величина этих сил зависит только от вида атомов, у атомов же водорода она незначительна. Нет ли других возможностей связать водород в твердое тело? К счастью, дело обстоит не так уж плохо. Вспомним, что представляет собой атом самого простого элемента — водорода. Ведь он состоит только из одного протона и одного электрона. Может быть, вместо того, чтобы «строить» твердое тело из целых атомов, попытаться создать его из составляющих атом элементов, таких, как положительные протоны и отрицательные электроны? 

Представьте себе, что мы уложили на небольшом расстоянии друг от друга только протоны. Есть ли шансы на то, что такая структура удержится? Разумеется, нет, поскольку протоны (как одноименные заряды) будут отталкиваться друг от друга. Следовательно, к ним необходимо добавить нечто, нейтрализующее отталкивание протонов — нечто, создающее стабильную систему. Это, конечно, электроны. Они, как заряды иного, чем протоны знака, будут их притягивать. В конечном итоге оба воздействия компенсируются, а описанная структура становится стабильной. Иначе говоря, положительные протоны как бы погружаются в море отрицательных свободных электронов, не связанных с протонами. А именно это свойство характерно для металлов. Прошу не забывать, что в нашем случае на один протон приходится один электрон, так что описанный кусок металла, формально говоря, представляет собой кусок водорода.

Но у подобного водорода принципиально иные физические свойства, чем у замороженного путем снижения температуры газа. Наличие свободных электронов определяет его хорошую электропроводность. Вследствие того, что металлические связи удерживают такую систему протонов и электронов в равновесии, единожды металлизированный водород остается им и при нормальной температуре в течение любого времени. Но как на практике получить такую стабильную модификацию водорода? Ведь трудно представить себе, что можно произвольно смешивать электроны и протоны...

Исаак Силвера (Isaac Silvera) и Ранга Диас (Ranga Dias) из Гарвардского университета решили использовать алмазные "наковальни", создав сверхвысокое давление, превышающее давление в центре Земли. Это позволило сблизить атомы водорода в образце настолько тесно, что их электроны «обобществились» и стали двигаться по свободным траекториям, обеспечивая электропроводность и другие свойства металлов. 
 
Еще в 1935 г. физик и теоретик, будущий лауреат Нобелевской премии Юджин Вигнер предсказал, что при давлении выше 25 ГПа (250 тыс. атмосфер) молекулярный водород должен совершать фазовый переход и становиться металлическим. Такое давление в сотни раз выше, чем на дне Бездны Челленджера в Тихом океане, так что воспроизвести нужные условия долгое время не было никаких возможностей.
 
Более того, по мере развития физики и квантовой механики стало ясно, что металлический водород требует еще более высоких давлений: 400–500 ГПа, выше, чем в центре Земли. За последние 20 лет было сделано несколько сообщений о его получении в лаборатории, но данные экспериментов оказались не слишком надежными и не раз подвергались критике. Летом 2016 г. Исаак Силвера и его коллеги добились нужного перехода – но всего на доли секунды – и намерены были подтвердить достижение еще раз.

В новых экспериментах команде Силверы удалось получить давление 495 ГПа, сжав образец между заостренными и тщательно обработанными концами пары искусственных алмазов. Дополнительную прочность этой «наковальне» придало напыление из оксида алюминия, непроницаемого даже для мельчайших атомов водорода. Ученые зафиксировали, что при сравнительно низких давлениях образец водорода оставался прозрачным (и непроводящим), затем потемнел, а при 495 ГПа (около 4,9 млн атмосфер),  стал блестящим, отражая свет, как самый настоящий металл.

Столь громкое заявление нуждается в самой тщательной проверке, поэтому ученые сохранили драгоценный образец под давлением и при сверхнизкой температуре для дальнейших опытов... И вот теперь он утрачен...
 
The Independent сообщает, что в ходе попытки измерить давление с помощью маломощного лазера в установке что-то случилось: один из миниатюрных алмазов не выдержал и разлетелся буквально в пыль. 

...«Никогда не видел ничего подобного, – приводит издание слова профессора Силверы. – Все поверхности покрыла такая пудра, похожая на пищевую соду или что-то вроде того. Я бы и не поверил, что это алмаз»...
 
В этой пыли и мог затеряться образец, имеющий в размере всего около 1,5 х 10 мкм, – и это еще не самый печальный вариант. Возможно и то, что после разрушения алмаза и падения давления водород просто снова превратился в газ. Теория предсказывает, что он должен был сохранить стабильность, и если это не так, то наши надежды использовать металлический водород на практике, в качестве сверхпроводника, стремительно испарились.
 
Подробности Исаак Силвера должен сообщить через несколько недель, на встрече Американского физического общества. Там же ученые планируют обсудить ситуацию с коллегами. В любом случае, гарвардские физики готовят еще пару алмазных наковален (именно их особая подготовка позволила им добиться невероятного давления) и намерены повторить эксперимент...

 Металлический водород интересует ученых с самых разных сторон. Его крайне интересно изучить, поскольку именно в этой форме водород существует в недрах крупных небесных тел, таких как Юпитер и Сатурн. Но он же может найти применение и на Земле – в качестве компонента нового поколения ракетного топлива и просто электроники. Теория предсказывает, что металлический водород должен быть высокотемпературным сверхпроводником, за которым так давно охотятся физики.

Почитать    Сверхпроводящие ЛЭП

Метастабильные соединения металлического водорода перспективны как компактное, эффективное и чистое топливо. При переходе металлического водорода в обычную молекулярную фазу высвобождается в 20 раз больше энергии, чем при сжигании килограмма смеси кислорода и водорода ( "гремучий газ" ).

Почитать    Одомашнивание термояда
 
Более того, согласно некоторым моделям, металлический водород можно будет использовать в самых обычных условиях. Предполагается, что огромное давление требуется лишь для его образования, а впоследствии он сохранит это состояние даже при комнатной температуре и давлении в одну атмосферу. Выяснить это мы можем уже довольно скоро.

Послесловие

Прямолинейное получение металлического водорода лишь только эксперимент. Отсутствие научной мысли, оригинального решения идеи получения вещества, останавливает и переводить металлический водород в перечень экзотических и малодоступных материалов... 

https://naked-science.ru/article/sci/v-laboratorii-okonchatelno-poluchen
http://tech-edu.ru/technology/metallic-hydrogen 

https://naked-science.ru/article/sci/uchenye-poteryali-metallicheskiy