Ученые потеряли единственный в мире образец

Металлический водоров в алмазной наковальне

В прошлом месяце ученые из Гарвардского университета сообщили об открытии «священного Грааля» физики твердых тел. Им удалось в лабораторных условиях получить водород в металлической фазе. Наука безуспешно пыталась сделать это в течение более 80 последних лет. И, наконец, успех! Ученые не только смогли получить материал, но и первыми в истории нашли способ оставить его на сохранение.

К величайшему сожалению, радоваться оказалось рано. Ученые сообщают, что образец недавно был утрачен.

На принципиальную возможность существования водорода в форме атомного кристалла, обладающего свойствами металла, при давлениях, больших 2 млн. атм, было указано еще в 1952 г. в работе члена-корреспондента АН СССР А. А. Абрикосова. Особый интерес к этой проблеме продиктован тем, что, согласно выводам общей теории сверхпроводимости, металлический водород может оказаться сверх проводником при температурах, близких к комнатной. Кроме того, в самое последнее время в работе теоретиков получены указания на то, что может существовать метастабильное состояние металлического водорода, устойчивое и после снятия давления. Такое состояние, хотя и имеет энергию, значительно превосходящую энергию неметаллической фазы, может сохраняться бесконечно долго.

Давление на молекулы водорода приводит к тому, что газ переходит в жидкое состояние, а затем в твердое. По мере увеличения давления атомы в молекулах водорода сближаются все плотнее, а электропроводимость в кристаллах возрастает. В итоге атомы водорода должны уплотниться настолько, что их электроны станут общими, как это происходит в металлах.



Не так давно ученые из Гарвардского университета Айзек Сильвера и Ранга Диас опубликовали на страницах журнала Science отчет о получении металлического водорода.

А буквально уже 11 февраля произошел инсцидент, когда ученые готовили образец для транспортировки в Аргоннскую национальную лабораторию. Образец находился на хранении при очень низкой температуре и сверхвысоком давлении для проведения дальнейших опытов. Однако в рамках одной из проверок давления с помощью маломощной лазерной установки что-то произошло: один из двух алмазов установки не выдержал и в буквальном смысле разлетелся в пыль, погребши под собой и единственный образец металлического водорода.

Руководитель исследования, профессор Исаак Сильвера, более 45 лет своей жизни занимающийся изучением металлического водорода, сообщает, что ученые не могут с уверенностью сказать, какая именно дальнейшая судьба постигла единственный полученный образец.

«Он утрачен. Он либо где-то потерялся среди пыли разрушенного алмаза и теперь находится при обычном давлении, либо вообще вернулся обратно в газовое состояние. Мы точно не знаем».

«Никогда не видел ничего подобного. Все поверхности установки покрыла такая пудра, похожая на пищевую соду или что-то вроде того. Я бы и не поверил, что это алмаз», — прокомментировал профессор Сильвера.





Совсем необязательно, что образец был уничтожен, но так как его размер составляет всего около 1,5 микрометра на 10 микрометров (примерно 1/5 диаметра обычного человеческого волоса) – найти его не представляется возможным. Но и это еще не все. Дело в том, что после разрушения алмаза и снижения давления в установке образец мог превратиться обратно в газ. Согласно теории, он все-таки должен сохранять стабильное состояние, но если на самом деле это не так, то это еще более печальные новости.

Несмотря на очень сильное разочарование, ученый сообщил, что сейчас команда работает над созданием более прочных алмазных тисков и надеется создать еще один образец металлического водорода в ближайшем будущем.

«Мы готовим новый эксперимент и посмотрим, можно ли будет создать тот уровень давления, которого мы достигли в первый раз, и получить еще один образец».

Почему металлический водород так ценен? Думаю, всем известно, что водород является одним из самых изученных элементов во Вселенной, и в своем естественном состоянии он определенно не обладает металлической фазой. Он не блестит и не проводит электричество. И все же еще в 1935 году физики предсказали, что при определенных условиях давления водород может приобретать металлические свойства. С тех пор наука не раз пыталась получить хотя бы один образец металлического водорода в лабораторных условиях. Но все попытки оказывались тщетными, так как для возможного успеха требовалось создание условий с невероятно сильным давлением, обеспечить которые тогдашний уровень технологий был не в состоянии. И вот, в прошлом октябре Сильвере и его команде наконец удалось это совершить. Используя специальные алмазные тиски, ученые получили долгожданный образец. С ростом давления внутри системы исследователи своими глазами увидели, как прозрачный газ, находящийся в установке, сначала потемнел, а затем стал блестящим и приобрел металлическую форму.




Важность открытия заключается не только в доказательстве возможности придачи водороду металлическую формы, но еще и в том, что подобный материал может обладать потенциально очень полезными свойствами – стать сверхпроводником, способным передавать заряд без сопротивления. Кроме того, так как он содержит такое невероятное количество энергии, его можно рассматривать и в качестве «наиболее мощного источника для ракетного топлива».

Ожидая публикации своей статьи в научном журнале Science в прошлом месяце, ученые хранили образец металлического водорода при сверхнизких температуре и давлении, а также провели несколько первоначальных испытаний в лаборатории. Одним из важнейших из них являлась проверка его рефлективности – одной из характеристик, подтверждающих его металличность.

С помощью маломощной лазерной установки они измерили давление, при котором металлический водород приобрел свою форму. Результаты показали 495 ГПа (около 4,9 миллиона атмосфер), что в 4 миллиона раз больше уровня атмосферного давления над уровнем моря на Земле и примерно в 20 раз больше первоначальных предположений, согласно которым его можно получить.

Однако многие тесты ученые провести просто не успели. Образец был утрачен еще до выхода статьи в печать. Например, исследователи не смогли узнать, является ли полученная форма металлического водорода жидкой или твердой. Кроме того, не было проверено, способен ли он проводить электричество, что также является одной из основных характеристик для металлов.

Поэтому неудивительно, что среди научного сообщества появились те, кто выступил с долей скептицизма в отношении того, а был ли металлический водород создан вообще?





«Я не думаю, что эта опубликованная статья окажется убедительной для всех», — заявил физик Пол Любер из французской Комиссии по атомной энергии в Брюйер-ле-Шатель, не принимавший участие в обсуждаемом исследовании, журналу Nature.

Для проведения дальнейших тестов Сильвера и его команда планировали использовать синхротрон в Аргоннской национальной лаборатории в США. Однако до отправки образца они решили использовать маломощный красный лазер для проверки созданного внутри системы хранения давления. Но на этот раз энергия, созданная лазером, фактически мгновенно уничтожила систему. Один из алмазов установки в буквальном смысле рассыпался в прах.

«Подобные вещи уже случались с другими командами, но мы думали, что с нашей системой все будет в порядке. Мы неоднократно ее испытывали в прошлом, но, видимо, что-то с того времени в ней изменилось. Возможно, в самом алмазе возник дефект, возможно, причиной является диффузия водорода. Мы точно не знаем. Да и вряд ли уже узнаем».

Сильвера убежден, что его команда сможет создать новые образцы. И если не в рамках следующих экспериментов, то по крайней мере в ближайшем будущем. Ученые очень надеются повторить процесс, чтобы у злых языков не осталось на сей раз аргументов.

«Исчезновение образца ни о чем не говорит. Любой, кто работает с условиями высокого давления, прекрасно знает, что подобные инциденты действительно могут случаться время от времени. Радует, что мы успели по крайней мере провести испытания рефлективности образца и эти данные точные», — комментирует Сильвера.

«Случившееся нельзя назвать шагом назад. Просто жаль, что мы не смогли провести больше измерений этого образца. В науке всегда будет куча скептиков в том или ином вопросе, но мой совет таким людям всегда один: попробуйте сами провести эксперимент. Мы уже показали, какое именно давление мы создали для получения металлического водорода в лаборатории. Поэтому любой желающий и имеющий такую же возможность может попробовать сделать это самостоятельно. Вот это я называю научным методом. И это гораздо лучше, чем просто жаловаться на наши результаты», — добавил ученый.

В следующих экспериментах команда постарается использовать различные типы синтетических алмазов, которые, остается надеяться, окажутся более стабильными. Помимо этого, планируется использовать и более мощную охлаждающую систему. Горький опыт показал, что запланированные проверки и эксперименты в таких случаях лучше проводить, не затягивая.

«Вполне возможно, что при длительном хранении подобные образцы становятся менее стабильными. Поэтому в следующий раз, когда с помощью высокого давления мы получим новый образец, то постараемся провести все важные измерения как можно скорее», — сказал Сильвера.

источники