ЦТТ "Городской" г.Липецка

Изобретая все более совершенные устройства, человек должен был их из чего-то делать. Это «что-то» в конечном итоге предопределяло условия всего технического мероприятия. Виды и качества материалов оказывали влияние на технический уровень в каждую эпоху. Вы ведь уже знаете, что в глубокой древности выделяют золотой, бронзовый и железный века. Это подразделение, не считая мифологического золотого века — попросту история развития технологии материалов. Поэтому повторим: развитие техники, особенно ныне, обусловлено развитием технологии материалов. Нынешняя технология материалов — область с огромными возможностями. Ныне специалисты могут создавать такие состояния материи, которые еще недавно создавала сама природа в незапамятные геологические эпохи. Яркий пример — производство искусственных алмазов, освоенное в наше время в промышленном масштабе. А ведь оно требует высочайшей температуры и огромных давлений! Но стремления ученых идут еще дальше: создать материалы, которых вообще нет в природе. А такие стремления порождает не только жажда познания, но и потребность во все более совершенных, зачастую очень «изощренных» материалах.

Несомненно, одной из самых интересных целей современной технологии материалов является получение металлического водорода. Его свойства представляются настолько интересными, что многие исследователи решили его получить.

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.

Один из предлагаемых методов заключается в сильном сжатии замороженного водорода до такой степени, чтобы электрон в атоме водорода оказался достаточно близко с соседним и «забыл», в каком атоме находится, становясь тем самым свободным электроном. Какое нужно для этого давление — пока еще неизвестно. Но специалисты сходятся во мнении, что создать нужное высокое давление в пределах возможностей современной техники. Само собой разумеется, для получения металлического водорода необходима прямо таки совершенная техника высоких давлений и низких температур.

Однако ставка достаточно соблазнительна для того, чтобы начать исследования по металлическому водороду. Вы обратили внимание на то, что литр замороженного водорода очень мало весит? Даже если принять, что металлический водород будет несколько тяжелее, и тогда это был бы самый легкий известный металл, намного более легкий, чем обычная вода. Он стал бы великолепным материалом для авиационной промышленности, строительных конструкций с огромными пролетами и высотой. Он нужен был бы при строительстве линий электропередач, благодаря свойствам сверхпроводимости (то есть отсутствия электросопротивления), которым этот материал обладает уже при температуре 200 К.

Металлический водород еще не получен. Но так как в области сверхпроводимости наука уже получила позитивные результаты, можно надеяться, что интенсивные исследования по созданию металлического водорода, металла третьего тысячелетия, завершатся успехом. Пока положение весьма парадоксально: мы почти все знаем о том, чего нет!

Адам Витек