Физика

Исследователи из Гарвардского университета сообщили о получении — под давлением около 5 млн атмосфер — водорода в металлическом состоянии. Научный руководитель Института физики высоких давлений РАН, академик СЕРГЕЙ СТИШОВ рассказывает об истории и перспективах металлического водорода.

Водород обычно встречается в молекулярном виде, то есть в виде молекул, состоящих из двух протонов и двух электронов. Однако, если расщепить молекулу, то получится атомарный водород, состоящий из одного протона и одного электрона и представляющий собой полный аналог щелочных металлов. При атмосферном давлении атомарный водород неустойчив и быстро переходит в молекулярную форму. Однако в тридцатых годах прошлого века британский ученый Джон Бернал, известный борец за мир и автор оригинальных научных идей (например, о структуре жидкостей, об оливин-шпинелевом переходе в недрах Земли), предположил, что атомарный водород может оказаться стабильным при высоких давлениях. Эта идея привлекла внимание теоретиков Вигнера и Хантингтона, которые и произвели соответствующие расчеты в 1935 году. Гипотеза Бернала нашла подтверждение — согласно указанным расчетам, молекулярный водород переходит в атомарную металлическую фазу при высоких давлениях порядка 250 тыс. атмосфер со значительным увеличением плотности (в свете современных исследований приведенная оценка выглядит весьма приближенной).

Однако с тех пор долгое время проблема металлического водорода не находилась в центре внимания исследователей в области физики высоких давлений.

Следует лишь упомянуть теоретические работы А.А. Абрикосова (ныне нобелевского лауреата) и В.П. Трубицына, выполненные в 1950-х годах прошлого столетия и посвященные строению водородных планет: Юпитера и Сатурна.

Взрыв интереса к проблеме произошел в 1968 году, когда американский физик Нил Ашкрофт опубликовал статью, в которой доказывал, что полученный при высоком давлении атомный металлический водород может при атмосферном давлении оставаться стабильным. Но главное, Ашкрофт показал, что металлический водород может обладать сверхпроводимостью при комнатной температуре. Вот это и явилось главной мотивацией для дальнейших исследований. Действительно, получение материала со сверхпроводимостью при комнатной температуре означало бы переворот в энергетике.

Несколько экспериментальных групп объявили о своих намерениях заняться получением металлического водорода. Одними из первых заявила о себе группа Нила Ашкрофта и Артура Руоффа из Корнелльского университета (США). В интервью, напечатанном в Physics Today в начале 1970-х, они заявили, что при наличии финансирования сделают металлический водород в течение года.

Нужно сказать, в это время уже было ясно, что для получения металлического водорода потребуется давление не менее миллиона атмосфер. И никто не знал, как получить этот миллион. Руофф в Корнелле строил громадный многопуансонный аппарат, с помощью которого, как оказалось, нельзя было получить необходимое давление. Другие группы в США и России стали готовить аппаратуру для измерения уравнения состояния и кривой плавления молекулярной фазы. В Институте физики высоких давлений (ИФВД) АН СССР стали думать, как приспособить имевшийся громадный пресс усилием 50 тыс. тонн для поисков металлического водорода. Теоретики стали еще и еще раз вычислять давление перехода водорода в металлическое состояние, температуру его сверхпроводящего перехода, анализировать свойства метастабильной фазы металлического водорода (Е.Г. Бровман и Ю. Каган). В.Л. Гинзбург (будущий нобелевский лауреат) — апологет сверхпроводимости во всех ее проявлениях и автор основополагающей работы в этой области (знаменитое уравнение Гинзбурга--Ландау) — был настолько увлечен перспективой получения комнатной сверхпроводимости, что объявил проблему металлического водорода одной из важнейших проблем физики твердого тела. Словом, работа началась.

Одновременно в ненаучной прессе появились фантастические прогнозы. Например, что из металлического водорода можно будет делать легчайшие пуленепробиваемые жакеты или детали космических ракет, которые можно будет использовать как топливо. Ученые особенно не протестовали против подобных измышлений, а порой и сами пускали их в оборот, поскольку это помогало получить финансирование.

Так или иначе, проблема металлического водорода, потенциально обладающего чудодейственными свойствами, приобрела в 1970-х годах вполне тотальный и даже государственный характер. Для подтверждения сказанному расскажу небольшую историю. В 1977 году я посетил несколько университетских и национальных лабораторий США, среди них была и Аргоннская национальная лаборатория, где я общался с одним из ее сотрудников, Джимом Иогерсоном. Спустя несколько лет Джим при встрече рассказал мне, что после моего визита в Аргонн к нему заявились представители секретных служб, стараясь выяснить, правда ли, что академик Л.Ф. Верещагин погиб в результате взрыва полученного в его институте (ИФВД) металлического водорода (Л.Ф. Верещагин скончался в 1977 году незадолго до моего визита в США, по причинам, никак не связанным с водородной тематикой). Это история показывает, что государственная машина США следила за ситуацией и принимала всерьез самые нелепые выдумки. Кроме того, государственные люди США, подогретые прессой и учеными, опасались, что металлический водород будет впервые получен в СССР. Большой пресс ИФВД не давал им покоя.

Тем не менее реального продвижения на пути к достижению миллионных давлений не было до тех пор, пока Питер Белл и Дейв Мао из Геофизической лаборатории (Вашингтон, США) не заявили в 1977 году о достижении 1,7 млн атмосфер в миниатюрном устройстве (алмазных наковальнях), давление в котором создается с помощью двух алмазов. Лед тронулся. Начались реальные исследования водорода. Однако с течением времени выяснилось, что действенных игроков всего трое. Это Артур Руофф из Корнелла, Рассел Хемли и Дейв Мао из Геофизической лаборатории и сегодняшний герой Айк Сильвера (Isaac Silvera) из Гарварда (все из США). Айк получил признание за работы по стабилизации атомарного водорода осаждением на подложку, порытую сверхтекучим гелием, проведенные во время его пребывания в Голландии.

За годы исследований было получено много экспериментальных данных в условиях высоких статических и динамических давлений. Билл Неллис из Ливерморской лаборатории (США) утверждал, что жидкий дейтерий (изотоп водорода) переходит в металлическую жидкость при высоких давлениях и температурах, создаваемых сильными ударными волнами. Совершенствуя технику эксперимента, исследователи шаг за шагом приблизились к давлениям, царящим в центре Земли (около 4,5 млн атмосфер). Однако водород упорно не хотел металлизоваться. Исследователи обратились к соединениям водорода и жидкому водороду, было получено много интересных результатов, но твердый водород оставался непреклонным.

И наконец, в январе этого года Айк Сильвера публикует в журнале Science сообщение о получении металлического водорода при давлении около 5 млн атмосфер. Это утверждение мгновенно подверглось критике со стороны конкурирующих исследователей (Е. Григорьянц, Эдинбург; М. Еремец, Майнц), хотя было поддержано отцом всей этой деятельности Нилом Ашкрофтом.

Как бы ни сложилась ситуация дальше, ясно, металлический водород получен — или будет получен. Но важно знать, что количество вещества, получаемое в алмазных наковальнях, можно уместить на острие тонкой швейной иглы. По этой причине всякие проекты, связанные с практическим использованием металлического водорода, следует отнести к научно-фантастическому жанру.