Если бы режиссер и исследователь Джеймс Кэмерон открыл люк своей подводной лодки в Бездне Челленджера - самой глубокой точке всех океанов Земли, - огромное давление снаружи раздробило бы его череп моментально.Но даже это огромное давление ничтожно по сравнению с давлением, которое ученые могут создать в своих лабораториях. Системы высокого давления, которые они используют, имеют решающее значение для широкого круга исследовательских тем, от изучения крошечных кусочков материалов, которые могут изменить способ использования электричества, до понимания внутренней структуры планет.
Святой Грааль материаловедения
Сверхпроводники - материалы, которые могут проводить электричество без сопротивления - уже стали краеугольным камнем в современных устройствах, таких как аппараты МРТ. Однако современные сверхпроводники могут работать только при очень низких температурах, что делает их слишком дорогими и непрактичными для крупномасштабного использования в разных сферах, таких как электрические сети без потерь или поезда на магнитной подушке.
Материал, способный сохранять сверхпроводимость при комнатной температуре, на протяжении десятилетий был неуловимым «святым Граалем» в материаловедении. Ряд недавних открытий водородсодержащих материалов или гидридов вселяет в ученых надежду на то, что цель наконец может быть достигнута.
Во время встречи Американского физического общества Рассел Хемсли, физик из Университета Джорджа Вашингтона в Вашингтоне, округ Колумбия, поделился недавними открытиями о гидридном материале, который может иметь сверхпроводимость до 260 кельвинов или 8 градусов по Фаренгейту, но не при комнатной температуре. Но это все равно в пределах возможностей кухонного холодильника, без необходимости использования дорогостоящего криогенного оборудования, что уже можно считать определенным прорывом в данной области.
«Тот факт, что существуют эти материалы, которые могут проявлять сверхпроводимость при очень высоких температурах - значительно превышающих то, что считалось определенным пределом — стало большой неожиданностью», - сказал Хеммли.
Но пока не открывайте шампанское - тут есть загвоздка. Хотя это правда, что материал — гидрид лантана - может поддерживать свою сверхпроводимость до 260 К, он также должен быть при давлении около 20 миллионов фунтов на квадратный дюйм, что более чем в миллион раз превышает атмосферное давление Земли. А это мягко говоря далеко от обычных условий. Чтобы добиться огромного давления, материал зажимали специальной наковальней, сделанной из самого твердого известного материала — алмаза.
Алмазная наковальня состоит из кронштейна, сделанного из карбида вольфрама - материала, вдвое более прочного, чем сталь, - и двух алмазов, каждый из которых имеет широкое основание на одном конце и небольшой, но плоский наконечник на другом. Скоба сжимает два ромба вместе, а кончики ромбов оказывают давление на образец, который находится посередине.
Конечная цель - создать давление, достаточное для того, чтобы превратить самый распространенный элемент во Вселенной, водород, в сверхпроводник при комнатной температуре, как это было предсказано теорией более полувека назад.
Требуемое давление настолько велико, что исследователи часто в своих попытках разбивают драгоценные алмазные ячейки. Хемсли и другие ученые-материаловеды обнаружили, что, добавляя в смесь тяжелые элементы, такие как лантан, они могут снизить давление, необходимое для создания сверхпроводящего водорода. Но все еще нет ничего лучше чистого металлического водорода - материала, ради которого стоит разбивать алмазы.
Металлический водород
«Существуют теоретические предсказания, сделанные Нилом Эшкрофтом еще в 1968 году, которые дали общую идею о том, что металлический водород должен проявлять сверхпроводимость при повышенных температурах», - сказал Хемли.
Возможно, вы знакомы с тем, как углерод, в зависимости от расположения атомов, может становиться разными материалами с разными свойствами, такими как грифель карандаша и алмазы. Водород ничем не отличается и может принимать экзотические формы, отличные от привычного нам жидкого газа.
Теоретически, если атомы водорода сжать с достаточной силой - более десятков миллионов фунтов на квадратный дюйм - они превратятся в кусок сверхпроводящего металла (или шарик жидкого металла, мы точно не знаем).
Металлический водород потенциально может стать самым мощным ракетным топливом из когда-либо существовавших - способным создавать в четыре раза большую тягу, чем смесь водорода и кислорода, используемая сегодня в ракетах. Он также обеспечит в 20 раз больше энергии на единицу веса, что может помочь будущим инженерам создавать более эффективные ракеты, которые могут нести более тяжелые полезные нагрузки дальше в космос.
Однако давление, необходимое для создания металлического водорода, примерно соответствует физическому пределу ячеек с алмазными наковальнями, что затрудняет экспериментальную проверку теории.
Вот почему, когда группа из Гарварда объявила в 2016 году, что они создали металлический водород, это сразу же вызвало некоторый скептицизм в научном сообществе. Некоторые ученые потребовали проведения дополнительных экспериментов, чтобы подтвердить, может ли металлический водород после образования сохранять свою структуру и свойства при снятии давления.
На данный момент металлический водород остается неуловимым белым китом в физике высоких давлений. Нам, землянам, это вряд ли кажется справедливым, потому что на других планетах нашей Солнечной системы могут быть триллионы и триллионы тонн этого вещества.
