Перспективы литий-водородных металлических соединений
В нашем энергозависимом мире ученые пытаются найти различные элементы, соединения и вещества, которые удовлетворили бы наши потребности в электроэнергии с помощью экологически чистого источника. Такие поиски привели ученых к сверхпроводникам. Материалы с такими свойствами обладают сверхпроводимостью, т.е. в них нет электрического сопротивления. Благодаря отсутствию сопротивления электроны в таких материалах могут свободно перемещаться. Также сверхпроводники могут проводить большое количество тока в течение длительного периода времени без потерь на тепловую энергию. Ученые считают, что металлический водород может оказаться высокотемпературным сверхпроводником.
Водород является самым легким элементом нашей вселенной, литий же является третьим из самых легких элементов. Водород в газообразном состоянии и литий в виде металла (твердом состоянии) присутствуют на нашей планете при определенной температуре и давлении. В газообразном состоянии молекула водорода состоит из двух атомов с прочными межатомными связями. Каждый атом водорода в этой паре отдает свой электрон на образование внутримолекулярной связи. Водород как химический элемент обозначен H2.
Недавно в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences была опубликована статья, подготовленная группой ученых из Университета Корнела (Cornell University) и Нью-йоркского Государственного Университета (State University of New York.). В данной статье группа ученых поделилась своими наблюдениями о сверхпроводящих свойствах соединениях водорода и лития. Такое соединение можно получить, соединив один атом лития с молекулой водорода и подвергнуть их давлению (при высоком давления водород превращается в метал). Результатом такого процесса будет металл с характеристиками сверхпроводника. Данный проект финансировала Национальная научная организация (NSF).
Водород и литий, взаимодействуя между собой в нормальных условиях, создают стабильное неметаллическое соединение. Химически такое соединение обозначается LiH и известно под названием литий-водородное соединение. В металлическом состоянии водород присутствует на Юпитере и Сатурне, потому что обе планеты подвержены сильному воздействию гравитации и давлению. Ученые пытаются создать условия, при которых им удастся выделить электрон водорода. Как? При помощи алмазных наковален ученые подвергают водород давлению в 3.4 миллиона атмосфер*. Для сравнения: атмосферное давление на уровне моря равно одной атмосфере, а в центре Земли оно составляет около 3.5 миллион атмосфер. В процессе создания устойчивого уровня высокого давления ученые столкнулись с массой трудностей. Также они пробовали применять ударно-волновой метод. Это своего рода сложная компьютерная программа.
Программа теоретически просчитывает вероятность перехода водорода в металлическое состояние, если соединить атом лития с различным количеством атомов водорода. Также программа просчитывает вероятность перехода водорода в металлическое состояние при уровне давления доступном в лабораторных условиях. Математически просчитанные комбинации лития и водорода в лабораторных условиях ранее не проверялись.
Исследовательская группа просчитывает различные комбинации водорода и лития, но более всего их заинтересовали две. Одна из комбинаций содержит один атом лития, соединенный с шестью атома водорода, — LiH6. Согласно сложных расчетов в теоретическом соединении атом Li в возбужденном состоянии выделяет свой непарный электрон внешнего энергетического уровня , который позже распределяется между тремя молекулами H2, т.е. шестью парными атомами водорода. Как уже было ранее подтверждено, под давлением гипотетическая реакция формирует стабильное металлическое соединение с водородом. Также расчеты подтвердили, что металлическое соединение LiH6 возможно при нормальном давлении. Однако, в таких условиях оно не стабильно и будет распадаться на LiH и H2.
Ева Зурек (Eva Zurek), главный автор газеты и ассистент профессора химии Нью-йоркского Государственного Университета, Буффало (The State University of New York, Buffalo), утверждает, что возможно добиться стабильного металлического соединение LiH6 при давлении в 1 миллион атмосфер, что составляет 25% от давления необходимого для перехода чистого водорода в металлическое состояние.
Роальд Хаффманн (Roald Hoffmann), соавтор и лауреат Нобелевской Премии 1981 года по химии, сказал: «Интересно, что при давлении от примерно 1 до 1.6 миллионов атмосфер, все соединения LiH были стабильны или метастабильны и все соединения были металлическими”.
Еще одним гипотетическим соединением, изучаемым исследовательской группой, является соединение одного атома лития и двух атомов водорода, LiH2.
По мнению Дэрила Хесса (Daryl Hess), директора программы отдела Исследований материалов Национальной научной организации (NSF Division of Materials Research), теоретическое исследование открыло вдохновляющие перспективы нетрадиционных сочетаний легких элементов под высоким давлением, которые могут помочь получить металлический водород при наиболее доступном уровне давления в лабораторных условиях, и получения новых материалов и новых состояний веществ.
*Алмазная наковальня, использующаяся для получения высоких давлений, представляет собой два искусственных алмаза, которые прижимаются друг к другу остриями с помощью пресса. В результате на срезе диаметром всего несколько десятых долей миллиметра достигается необходимое давление. В этом месте в ячейке микрометрового размера находится охлажденный образец. Часто эксперименты делаются с образцами в виде тонких пленок, толщиной до 1 мкм. В том же месте к образцу подводятся миниатюрные измерительные приборы: термопары, электроды и другое необходимое оборудование.