Ученые давно предполагали, что в центре газовых гигантов (планет, не имеющих твердой поверхности и состоящих в значительной мере из водорода и других газов) законы физики материалов работают совсем не так, как это происходит на других планетах. В подобных условиях, находящийся под огромным давлением водород сжимается настолько, что в буквальном смысле становится металлом. Многие годы исследователи искали возможность создать металлический водород в лабораторных условиях ради его уникальных свойств, которые могли бы пригодиться во многих областях человеческой деятельности.

Какую пользу человеку может принести металлический водород? Например, они пригодится при производстве электроники будущего, благодаря своим особым свойствам электропроводности. А еще на его основе можно будет делать новое ракетное топливо.

Интересно также почитать: Водород и астероиды могли зародить на Марсе жизнь.

Как получить металлический водород?

На сегодняшний день единственным доступным способом получения металлического водорода является использование специальных алмазных наковален, где атомы водорода сжимаются и охлаждаются до тех пор, пока не изменят свое состояние. Почти 80 лет ученые пытаются превратить газообразный водород в металл — и вот у них получилось. Для этого они применили к нему давление, которое больше, чем в ядре Земли.

Публикации о подобных результатах уже появлялись раньше, однако еще ни одна группа ученых не смогла их подтвердить. Например, в 2011 сообщалось, о том, что ученые смогли «сжать» водород до нужного состояния с помощью давления выше 220 ГПа (гигапаскалей), что более чем в 2 миллиона раз больше атмосферного, которое составляет 100 кПа (килопаскалей). В 2017 году другая группа ученых заявляла о том, что им удалось достичь давления уже 495 ГПа. Кстати, тогда основную часть экспериментов они провести не успели. Единственный полученный образец металлического водорода был утерян после того, как одна из алмазных наковален рассыпалась в пыль во время попытки измерить давление. Что стало с образцом – непонятно. Может он затерялся среди алмазных частиц, может превратился обратно в газ. Почитать подробнее об этой неудаче можно здесь можно здесь.

Французские учены учли предыдущий опыт и ошибки своих коллег, а также свои предыдущие исследования и все-таки добились нужного результата. Удалось это благодаря двум открытиям. Во-первых, они изменили конструкцию алмазной наковальни, сделав вершины алмазных наконечников не плоскими, а тороидальными, с углублением в виде бублика. Такое изменение позволило увеличить максимальный предел давления с 400 Гпа до 600 ГПа.

Наконечник улучшенной алмазной наковальни. Диаметр кольцевых трещин составляет около 150 микрон (чуть больше толщины человеческого волоса)

Во-вторых, они создали новый тип специального инфракрасного спектрометра – инструмента, позволяющего проводить измерения образца водорода.

При эксперименте ученые начали сжимать в алмазной наковальне образец водорода и одновременно охлаждать. Когда давление достигло 425 ГПа, а температура стала -193 градусов по Цельсию, водород начал поглощать инфракрасное излучение спектрометра. Это стало свидетельством перехода водорода в другое, твердое состояние.

Изображение переходных фаз водорода при эксперименте 2017 года (сверху) и смена фаз при различных значениях давления – 315, 427 и 300 ГПа – при эксперименте французских ученых. Во втором случае видно, что образец водорода стал непрозрачным

Заявление французских ученых было воспринято с недоверием, в основной потому, что предыдущие утверждения об успешном создании металлического водорода оказывались ошибочными, не соответствовали действительности или просто были недоказуемыми.

Тем не менее, уже сейчас многие говорят, что группа французских физиков может получить Нобелевскую премию за свое открытие — самую престижную премию в науке.