Ученые из Гарварда впервые получили лабораторным путем металлический водород. В теории это шаг к тому, чтобы полететь к другим планетам и создать принципиально новые накопители энергии. Часть научного мира сенсации не верит. Чтобы разобраться, "Огонек" связался с автором исследования Исааком Сильверой
Физики Исаак Сильвера (на фото справа) и Ранга Диас показывают давление, при котором обычный водород превратился в металл
Фото: Isaac F. Silvera's archive / Harvard University
Чтобы получить образец металлического водорода размером в одну сотую миллиметра, ученые использовали особую установку со сверхпрочной алмазной наковальней — без нее было нереально создать давление, схожее с давлением внутри планет типа Юпитера, и охладить водород до минус 268 градусов С. В итоге жидкий водород, похожий на прозрачное стекло, преобразовался в вещество с металлическим блеском. Успех эксперимента, о котором физики из Гарвардского университета сообщили на страницах журнала Science, научный мир буквально взорвал: множество научных коллективов безуспешно стремились к этому результату уже полвека.
— Я и сам начал работать над созданием металлического водорода 45 лет назад, еще в Университете Амстердама,— признается "Огоньку" главный герой состоявшейся сенсации профессор Исаак Сильвера из Гарварда (США).— И это того стоило: металлический водород имеет удивительные свойства высокотемпературного сверхпроводника (способность некоторых веществ проводить электрический ток без сопротивления.— "О"). Если мы сможем подтвердить его стабильность и решить вопрос промышленного производства, это будет иметь колоссальное влияние на наши технологии. Пока что нам удается сохранять наш образец при низкой температуре — около 80 градусов по шкале Кельвина (минус 193,15 градуса С) — уже 4 месяца.
Суперметалл для супербудущего
Ажиотаж вокруг металлического водорода вполне оправдан. Он дает человечеству шанс на создание принципиально нового топлива для ракет и на строительство мощнейшего двигателя, который сделает возможными межпланетные перелеты: при переходе обратно в молекулярное состояние металлический водород высвобождает колоссальное количество энергии.
— Сейчас для космических ракет используют горючую газообразную смесь водорода и кислорода,— говорит профессор Сильвера из Гарварда.— Это не слишком экономично, потому что огромное количество топлива буквальное улетает в трубу. КПД металлического водорода — он пока рассчитан только в теории — много выше.
Еще одно важное направление использования чудо-металла связано с его сверхпроводимостью. В этой области металлический водород сулит настоящую технологическую революцию: он в разы сократит потерю энергии при передаче, а в сверхпроводящих катушках из этого материала энергия станет годами храниться вообще без потерь. Больше того, если обычно сверхпроводимость проявляется при критически низких температурах, то новый металл (опять же пока в теории) будет обладать этим свойством при комнатной температуре.
Манящий блеск
Впрочем, многие физики (часто из конкурирующих научных групп) до сих пор не верят, что металлический водород получен. Как объяснили "Огоньку" на кафедре неорганической химии химического факультета МГУ, "в данном опыте водород сжимали между двумя алмазными наковальнями, рабочие части которых составляли всего 100 микрон, а результат фиксировался по оптическим эффектам от образца — это в целом не очень надежная методика". Впрочем, проверить экспериментально результаты американцев здесь не могут, так как в лабораториях МГУ нет необходимых установок.
Недоверие коллег по цеху вполне понятно, учитывая, что погоня за металлическим водородом превратилась в настоящий научный детектив. Водород — самый маленький, самый простой и самый распространенный атом во Вселенной, — абсолютно доступен и в то же время незаменим. В той же ядерной энергетике без него никуда.
Что этот газ может иметь металлическую форму, предсказали еще в 1935 году физики Юджин Вигнер (лауреат Нобелевской премии) и Белл Хантингтон. Однако путь от теоретической догадки до практического успеха занял более 80 лет: даже когда ученые поняли, что в жидкость или в твердое вещество можно превратить практически любой газ, нужно лишь подобрать нужные температуру и давление, все равно было непонятно, как это сделать с водородом. Но поиски продолжались, так как полученные таким образом металлы приобретали ряд новых свойств — проводили электричество и тепло с меньшим сопротивлением, становились прочными, ковкими, приобретали специфический блеск. Тормозила работу, как часто бывает с фундаментальными исследованиями, и нехватка технологий.
Фото: Isaac F. Silvera's archive / Harvard University
Первые попытки получить металлический водород в лаборатории начались в 1970-е, но закончились полным фиаско, после чего проект заморозили. Первый результат удалось получить лишь в 1996-м — исследователи из Ливерморской национальной лаборатории (США) под давлением 100 Гпа (в 1000 раз больше, чем на дне Марианского желоба) на 1 миллисекунду зафиксировали снижение электрического сопротивления практически до нуля, а по выделению тепловой энергии стало понятно, что образец приобрел свойства металла.
Затем были эксперименты 1988 и 2008 годов, но в первом случае не произошло фазового перехода в металлическую форму, а во втором результат не удалось повторить. Лишь в 2011-м и 2015-м ученые обратили свои взгляды в сторону тяжелого собрата водорода — дейтерия. Однако и на сей раз результат был промежуточным: полученные образцы проявляли лишь отдельные свойства металла и были нестабильны.
Успех пришел только на рубеже 2016 и 2017 годов, когда так называемый метастабильный образец металлического водорода, способный оставаться в таком состоянии долгое время, получили американцы из Гарварда. Чему, важно отметить, предшествовала публикация работы группы российских математиков во главе с Николаем Кудряшовым. Независимо от американцев они рассчитали необходимые условия для получения сверхпроводимости: давлении 500 млн атмосфер и температуру минус 58 градусов С.
— При создании давления в 500 ГПа надо учитывать ряд особенностей,— рассказал "Огоньку" Исаак Сильвера.— Например, такие условия можно встретить только в недрах крупных планет, не каждое земное вещество способно выдержать подобное испытание на прочность. Поэтому мы выбрали синтетические алмазы, так как им можно придать любую форму. После получения образца мы выдержали паузу в 4 месяца, прежде чем публиковать результат, хотелось убедиться в его надежности.
Что касается того, как он относится к недоверию коллег, ставящих под вопрос результаты его работы, тут профессор категоричен:
— Мы абсолютно уверены в наших наблюдениях по части металлического водорода. У нас есть спектр отражения во всем видимом диапазоне. Да, пока мы не проверяли стабильность образцов при комнатной температуре, но это дело времени. Самый главный ответ заключается в том, что мы полностью раскрыли условия получения металлического водорода. Теперь любые коллеги могут попытаться повторить наш результат, чему мы будем очень рады. Мы же сами собираемся продолжить исследовать образец при высоком давлении, чтобы определить его структуру и свойства. Это важнейшая задача, потому что водород — фундаментальный элемент всей нашей Вселенной.
Когда номер готовился к печати, стало известно, что в лаборатории Исаака Сильверы прогремел взрыв: алмазная наковальня вместе с единственным в мире образцом металлического водорода, который просуществовал рекордные 4 месяца, разлетелась в пыль. Тут же поползли слухи, что образца не было с самого начала. Сам же Сильвера намекает, что взрыв может быть диверсией, и обещает в ближайшее время повторить эксперимент. Так что детектив под названием "Погоня за металлическим водородом" еще не дописан.
Металлический водород сулит настоящую революцию: он в разы сократит потерю энергии при передаче, а в сверхпроводящих катушках из этого материала энергия будет без потерь храниться годами