24 Â

WIAT

N

AUKI

Sierpieƒ 2000

D

wustopniowe dzia∏o gazowe w Lawrence Liver-
more National Laboratory ma d∏ugoÊç niemal
dwóch miejskich autobusów stojàcych jeden za
drugim i mieÊci w sobie tyle wodoru, ˝e móg∏by

on eksplodowaç z si∏à 10 lasek dynamitu. Dzia∏o to miota po-
ciski z pr´dkoÊcià 7 km/s, a wi´c ponad 20 razy wi´kszà ni˝
pr´dkoÊç rozchodzenia si´ dêwi´ku i oko∏o 15 razy wi´kszà
od pr´dkoÊci wystrzelonej kuli rewolwerowej. Urzàdzenie
nie jest jednak nowym rodzajem broni, lecz pot´˝nà apara-
turà badawczà, a tarcz´, do której wystrzeliwuje si´ pociski,
stanowi zaledwie kilka kropli cieczy.

OczywiÊcie, nie chodzi o jakàÊ zwyk∏à ciecz, choç tworzàcy

jà pierwiastek jest najpowszechniej spotykanym we Wszech-
Êwiecie. Pomimo prostej budowy (sk∏ada si´ tylko z jednego
protonu i jednego elektronu) wodór okaza∏ si´ znacznie bardziej
skomplikowany, ani˝eli wyobra˝ali to sobie naukowcy. W nor-
malnych warunkach gaz z∏o˝ony z dwuatomowych czàsteczek
daje si´ skropliç poni˝ej 20 K (czyli w temperaturze –253°C),
a zestaliç poni˝ej 14 K. We wszystkich tych stanach skupienia
pod wzgl´dem elektrycznym jest izolatorem, ale ju˝ w latach
trzydziestych fizycy przewidzieli, ˝e poddanie wodoru ekstre-
malnie wysokim ciÊnieniom mo˝e spowodowaç rozpad jego
czàsteczek na atomy, w rezultacie czego stanie si´ on metalem i
zacznie przewodziç pràd. Co wi´cej, w latach szeÊçdziesiàtych
Neil W. Ashcroft z Cornell University doszed∏ do wniosku, ˝e ze-
stalony metaliczny wodór b´dzie przewodzi∏ pràd elektryczny
bez oporu. Gdyby w tej postaci wodór móg∏ zachowaç stabil-
noÊç w normalnych warunkach, to da∏oby si´ go u˝ywaç jako
nadprzewodnika pracujàcego w temperaturze pokojowej. Ta-
kiego materia∏u fizycy poszukujà ju˝ od kilkudziesi´ciu lat.
Móg∏by on byç tak˝e wykorzystywany jako bardzo skondenso-
wane êród∏o energii oraz lekki materia∏ konstrukcyjny.

Wspólnie z kolegami zrobiliÊmy w∏aÊnie kolejny krok ku re-

alizacji tych mo˝liwoÊci. Za pomocà dzia∏a gazowego znaj-
dujàcego si´ w Livermore Laboratory zdo∏aliÊmy poddaç cie-
k∏y wodór takiej kompresji, ˝e przekszta∏ci∏ si´ w ciek∏y metal.
Wprawdzie pozostawa∏ w tym stanie krócej ni˝ jednà milio-
nowà sekundy, ale to wystarczy∏o, by zmierzyç jego prze-
wodnoÊç elektrycznà. Tak wi´c choç celu, jakim by∏o wytwo-
rzenie zestalonego metalicznego wodoru, nie uda∏o si´ jeszcze
nam osiàgnàç, uzyskaliÊmy wyniki pozwalajàce okreÊliç za-
chowanie si´ wodoru w rozmaitych warunkach ultrawyso-
kich ciÊnieƒ i temperatur. Zdobyta w ten sposób wiedza za-
pewne przyda si´ w projektowaniu lepszych urzàdzeƒ
inicjujàcych reakcj´ fuzji, która ma byç êród∏em energii. Do-
pomo˝e tak˝e w zrozumieniu struktury wn´trza Jowisza –
naukowcy sàdzà, ˝e ciek∏y wodór, stanowiàcy znacznà cz´Êç
jàdra tej wielkiej planety, jest tam ÊciÊni´ty do tego stopnia, ˝e
mo˝e przejÊç w postaç metalicznà.

Ju˝ pod koniec XIX stulecia wielu badaczy przewidywa∏o

mo˝liwoÊç metalizacji skondensowanego wodoru. Bàdê co

bàdê pierwiastek ten znajduje si´ w pierwszej kolum-
nie uk∏adu okresowego pierwiastków razem z grupà
metali alkalicznych. W roku 1898 szkocki fizyk James
Dewar zdo∏a∏ skropliç wodór, a rok póêniej uda∏o mu
si´ go zestaliç. Ku zaskoczeniu wielu badaczy obydwie fa-
zy skondensowane okaza∏y si´ izolatorami: atomy wodo-
ru pozostawa∏y zwiàzane w postaci dwuatomowych czà-
steczek i zachowywa∏y si´ raczej jak chlorowce po∏o˝one
w siódmej kolumnie uk∏adu okresowego (np. chlor i fluor).

Tymczasem w miar´ rozwoju mechaniki kwantowej –

wyjaÊniajàcej zjawiska fizyczne zachodzàce w skali atomu –
pojawi∏y si´ nowe próby opisu zachowania si´ wodoru. W ro-
ku 1935 Eugene P. Wigner z Princeton University wysunà∏
hipotez´, ˝e pod dostatecznie wysokim ciÊnieniem nieprzewo-
dzàcy zestalony wodór, utworzony przez dwuatomowe czà-
steczki, ulegnie przemianie w postaç metalicznà, której jed-
nostkà strukturalnà b´dà pojedyncze atomy. Z biegiem lat
teoretyczne oszacowania ciÊnienia, pod którym taka prze-
miana mog∏aby nastàpiç, wskazywa∏y na co raz to wy˝szà
wartoÊç: wzrasta∏a ona od 25 a˝ do 2000 GPa. Odpowiada to
ciÊnieniu 250 tys. do 20 mln razy wi´kszemu ni˝ ciÊnienie at-
mosferyczne na poziomie morza. Wed∏ug najnowszych wy-
liczeƒ zestalony wodór czàsteczkowy mo˝e staç si´ metalem
ju˝ pod ciÊnieniem nieco powy˝ej 400 GPa, czyli oko∏o 4 mln
atm. Ostatnie pomiary przeprowadzone technikà rentgenow-
skà wskazujà jednak na wymagane ciÊnienie rz´du 620 GPa.

Jednym ze sposobów uzyskania tak wysokiego ciÊnienia,

bliskiego panujàcego we wn´trzu Ziemi, jest ÊciÊni´cie bada-
nej próbki pomi´dzy dwiema supertwardymi powierzchnia-
mi. Stosuje si´ w tym celu technik´ kowade∏ek diamentowych
[patrz: A. Jayaraman, „The Diamond-Anvil High-Pressure
Cell”; Scientific American, kwiecieƒ 1984]. Dzi´ki niej wytwo-
rzono ju˝ ciÊnienia si´gajàce 500 GPa.

Za pomocà tego urzàdzenia Russell J. Hemley i Ho-kwang

Mao z Carnegie Institution w Waszyngtonie oraz Isaac F. Si-
lvera z Harvard University i Arthur L. Ruoff z Cornell Univer-
sity próbowali otrzymaç metaliczny wodór, Êciskajàc ten pier-
wiastek pod ciÊnieniem rz´du 340 GPa. Wprawdzie wodór
ulega∏ zestaleniu i stosujàc dyfrakcj´ rentgenowskà oraz me-
tody spektroskopowe mo˝na by∏o badaç jego zachowanie,

Odtwarzajàc ekstremalne warunki, podobne do panujàcych w jàdrze

Jowisza, fizycy zdo∏ali wreszcie przekszta∏ciç wodór w metal

William J. Nellis

Jak

ZMETALIZOWAå

NAG¸E UDERZENIE wytwarza ciÊnienie dynamiczne potrzebne do
przeprowadzenia próbki ciek∏ego wodoru w stan metaliczny. Dzia-
∏o gazowe (

u góry) przyspiesza pocisk (krà˝ek metalowy wielkoÊci

çwierçdolarówki, os∏oni´ty cylindrem z tworzywa sztucznego) do
pr´dkoÊci 7 km/s. Kiedy pocisk uderza w pojemnik z próbkà (

ukaza-

ny w przekroju), wytwarza fal´ uderzeniowà w cienkiej warstwie cie-
k∏ego wodoru (

˝ó∏ty). Fala ulega odbiciu pomi´dzy dwiema twardy-

mi p∏ytkami z szafiru (

niebieski). W rezultacie na wodór dzia∏a

ciÊnienie rz´du 180 GPa. Czujniki w∏àczajàce (

czerwony) uruchamia-

jà urzàdzenie rejestrujàce i elektrody (

pomaraƒczowy) mierzà prze-

wodnictwo wodoru w celu uchwycenia momentu jego metalizacji.

SLIM FILMS

WODÓR

ale badacze nie byli w stanie bezpoÊred-
nio zmierzyç przewodnoÊci materia-
∏u, poniewa˝ przewody elektryczne
umieszczone pomi´dzy kowade∏kami
diamentowymi przerywa∏y si´ pod
wp∏ywem wysokiego ciÊnienia. Nie-
mo˝liwe te˝ okaza∏o si´ zmetalizowa-
nie ciek∏ego wodoru w tym urzàdzeniu,
gdy˝ ciecz szybko wydostawa∏a si´ po-
za Êcianki urzàdzenia.

Wodorowa proca

Pierwsze próby wykorzystania dzia-

∏a gazowego podj´to mniej wi´cej 10 lat
temu, zaraz po odkryciu nadprzewod-
ników wysokotemperaturowych. Te ce-
ramiczne materia∏y przewodzà bez opo-
ru pràd elektryczny w temperaturach
zbli˝onych do temperatury wrzenia azo-
tu (oko∏o 77 K, czyli oko∏o –196°C),
a wi´c znacznie wy˝szych od tempera-

tur przejÊcia charakterystycznych dla
konwencjonalnych nadprzewodników
(rz´du 20 K). We wczesnych latach dzie-
wi´çdziesiàtych podjà∏em badania tych
materia∏ów za pomocà dzia∏a gazowe-
go. Konstrukcja samego dzia∏a zosta∏a
opracowana w latach szeÊçdziesiàtych
przez firm´ General Motors w ramach
prac nad pociskiem balistycznym. Wi´k-
szej wersji dzia∏a u˝ywano do przyÊpie-
szania modeli pocisków, aby uzyskaç
symulacj´ efektów towarzyszàcych wej-
Êciu rozp´dzonej rakiety w atmosfer´
ziemskà. W koƒcu Livermore Labora-
tory zosta∏o w∏aÊcicielem mniejszego
dzia∏a, które przydaje si´ w badaniach
zwiàzanych z technikà obronnà, ponie-
wa˝ pozwala poddawaç materia∏y dzia-
∏aniom warunków ekstremalnych.

Znajàc zakres ciÊnieƒ, jakie mo˝na

osiàgaç za pomocà tego urzàdzenia,
przypuszcza∏em, ˝e nada si´ ono do ba-

daƒ nad przewodnictwem ciek∏ego wo-
doru. Kiedy wodór poddawany jest
dzia∏aniu wysokich ciÊnieƒ, wówczas
jego temperatura topnienia wzrasta.
Przy 100 GPa si´ga ona 1500 K (ponad
1200°C). Z tego powodu ciecz nale˝y
ogrzewaç, aby powstrzymaç jà przed
zestaleniem. Technika fal uderzenio-
wych jest idealnym sposobem do rów-
noczesnego Êciskania i ogrzewania wo-
doru. Fala uderzeniowa, znana po-
wszechnie jako huk wytwarzany przez
samolot przekraczajàcy barier´ dêwi´-
ku, to po prostu nag∏a zmiana ciÊnienia
powodujàca gwa∏towne wzajemne zbli-
˝enie si´ czàsteczek, a przez to wzrost
ich temperatury. W roku 1991 wspólnie
z Samuelem T. Weirem i Arthurem C.
Mitchellem rozpocz´liÊmy prace nad za-
stosowaniem dzia∏a gazowego do wy-
tworzenia odbitej fali uderzeniowej
w skroplonym wodorze.

Pierwszy stopieƒ dzia∏a sk∏ada si´

z zamka zawierajàcego oko∏o 3.3 kg pro-
chu strzelniczego, którego odpalenie po-
woduje ruch ci´˝kiego t∏oka we wn´-
trzu rury spr´˝ania d∏ugoÊci 10 m i
Êrednicy 90 mm [ilustracja powy˝ej].
Rur´ wype∏nia 60 g gazowego wodoru
(nie myliç z wodorem poddawanym
metalizacji). T∏ok o wadze 6.8 kg spr´˝a
znajdujàcy si´ przed nim wodór. Gdy
ciÊnienie gazu osiàga 0.1 GPa, nast´pu-
je przerwanie diafragmy zamykajàcej
rur´ spr´˝ania i uruchomienie drugie-
go stopnia, sk∏adajàcego si´ z dziewi´-
ciometrowej lufy o kalibrze 28 mm. To
zw´˝enie jest bardzo istotne, poniewa˝

26 Â

WIAT

N

AUKI

Sierpieƒ 2000

DWUSTOPNIOWE DZIA¸O GAZOWE
sk∏ada si´ z zamka, rury spr´˝ania i w´˝-
szej od niej lufy. Przed odpaleniem
w zamku znajduje si´ 3.3 kg prochu
strzelniczego; cz´Êç – w wydrà˝onej kap-
sule ˝arowej, a reszta – w pojemniku
otaczajàcym (

na górze). Gdy zapala si´

proch strzelniczy, goràce gazy powsta-
∏e w wyniku wybuchu popychajà t∏ok
wzd∏u˝ rury (

na dole). T∏ok spr´˝a znaj-

dujàcy si´ przed nim gazowy wodór, ten
przerywa diafragm´ i przechodzi do lu-
fy, powodujàc wystrzelenie pocisku
w kierunku komory stanowiàcej cel. Po-
cisk to metalowa udarowa tarcza osa-
dzona w plastikowym cylindrze. Uderza
on w aluminiowy pojemnik z próbkà,
którà stanowi ciek∏y wodór majàcy zo-
staç zmetalizowany.

BADACZE zajmujàcy si´ wysokimi ciÊnie-
niami pozujà obok dzia∏a gazowego u˝ywa-
nego do metalizacji ciek∏ego wodoru w Law-
rence Livermore National Laboratory. Od
lewej: Arthur C. Mitchell, Samuel T. Weir
i autor artyku∏u – William J. Nellis.

ZA ZGODÑ WILLIAMA J. NELLISA

ZAMEK

T¸OK

T¸OK

GAZOWY WODÓR

KAPSU¸A ˚AROWA

GORÑCE GAZY ZE SPALONEGO PROCHU STRZELNICZEGO

POCISK

OTWARTY ZAWÓR BEZPIECZE¡STWA

POJEMNIK Z PROCHEM STRZELNICZYM

RURA SPR¢˚ANIA

DIAFRAGMA POMI¢DZY

RURÑ SPR¢˚ANIA I LUFÑ

zmniejszenie obj´toÊci powoduje zwi´k-
szenie szybkoÊci gazu.

Kiedy gaz przejdzie przez diafragm´,

uruchamia pocisk, czyli p∏ytk´ metalo-
wà wielkoÊci çwierçdolarówki. (Wodór
jest najlepszym medium przyÊpieszajà-
cym, poniewa˝ ma najni˝szy wÊród
wszystkich gazów ci´˝ar czàsteczkowy
i najwi´kszà pr´dkoÊç rozchodzàcego
si´ w nim dêwi´ku.) Dwudziestogra-
mowy pocisk rozwija w lufie pr´dkoÊç
rz´du 7 km/s, co odpowiada pr´dkoÊci
25 200 km/h. Na koƒcu lufy pocisk ude-
rza w aluminiowy pojemnik z próbkà,
którà stanowi ciek∏y wodór tworzàcy
warstw´ gruboÊci 0.5 mm, zamkni´tà
pomi´dzy dwiema twardymi p∏ytkami
z szafiru. Ciecz jest sch∏odzona do tem-
peratury 20 K w celu uzyskania odpo-
wiedniej g´stoÊci wyjÊciowej.

Uderzenie pocisku powoduje powsta-

nie silnej fali uderzeniowej, która prze-
chodzi przez pojemnik aluminiowy i
zawarty w nim ciek∏y wodór. P∏ytki sza-
firowe wi´cej ni˝ dziesi´ç razy odbijajà
od siebie fal´ uderzeniowà. W wyniku
tego procesu wytwarza si´ ciÊnienie dy-
namiczne rz´du 180 GPa, powodujàce
spr´˝enie próbki wodoru do jednej dzie-
siàtej jej obj´toÊci wyjÊciowej. Równocze-
Ênie temperatura wzrasta do 3000 K. Wa-
runkiem powodzenia eksperymentu jest
odbicie oraz akumulacja fali uderzeniowej
i ciÊnienia dynamicznego; poddanie wo-
doru dzia∏aniu tylko pojedynczej fali ude-
rzeniowej o tym samym ciÊnieniu spo-
wodowa∏oby znacznie wi´kszy wzrost
temperatury.

Czujnik w∏àczajàcy w pojemniku

z próbkà uruchamia urzàdzenie rejestru-
jàce w momencie, gdy pierwsza fala ude-
rzeniowa wchodzi w wodór. Chocia˝
czas obcià˝enia próbki maksymalnym ci-
Ênieniem wynosi zaledwie 100 ns (jednà
dziesiàtà jednej milionowej sekundy), jest

to okres wystarczajàco d∏ugi, by uzyskaç
równowag´ termicznà i przeprowadziç
pomiar. Na szcz´Êcie eksperyment trwa
równie˝ tak krótko, ˝e wodór nie zdà˝y
wydostaç si´ na zewnàtrz pojemnika ani
wejÊç w reakcj´ chemicznà z materia∏em,
z którego zosta∏ on wykonany.

Nasz eksperyment nie by∏ pozbawio-

ny ryzyka. Nale˝a∏o przedsi´wziàç Êrod-
ki ostro˝noÊci, by nie dopuÊciç do po-
wstania mieszaniny wodoru z tlenem
zawartym w komorze stanowiàcej cel.
Gdyby ca∏y wodór znajdujàcy si´ we wn´-
trzu dzia∏a wszed∏ w reakcj´ z tlenem, wy-
zwoli∏aby si´ energia odpowiadajàca eks-
plozji 2 kg TNT. Dlatego musieliÊmy byç
pewni, ˝e komora jest wystarczajàco moc-
na, aby wytrzymaç torpedowanie od∏am-
kami powstajàcymi w momencie uderze-
nia pocisku. Perforacja Êcianki komory
mog∏aby bowiem spowodowaç przenik-
ni´cie powietrza (a wi´c i tlenu) do ko-
mory. Eksperyment zosta∏ tak zaplano-
wany, aby w przypadku przecieku po-
wietrza do wn´trza aparatury nie by∏o
mo˝liwe jej odpalenie. Wszystkie napi´cia
elektryczne u˝ywane w aparaturze kon-
trolnej, stosowanej w komorze, automa-
tycznie wy∏àcza∏y si´ w momencie odpa-
lenia dzia∏a. Dzi´ki temu nie mog∏a
powstaç iskra gro˝àca zap∏onem wodo-
ru. Ponadto natychmiast po odpaleniu
uruchamia∏o si´ szybkie pompowanie
azotu do wn´trza komory, aby w ten spo-
sób zosta∏a ograniczona aktywnoÊç wo-
doru. Wreszcie, w momentach odpalania
dzia∏a, nikt nie móg∏ przebywaç w po-
mieszczeniu, gdzie si´ ono znajdowa∏o.

Wykrycie metalizacji wodoru mile

nas zaskoczy∏o, poniewa˝ spodziewa-
liÊmy si´, ˝e wodór b´dzie zbli˝a∏ si´ do
stanu metalicznego, ale go nie osiàgnie.
Aby zmierzyç przewodnoÊç ciek∏ego
wodoru, dostarczyliÊmy niewielki pràd
do elektrod umieszczonych w pojemni-

ku z próbkà. Dzi´ki temu mogliÊmy
zmierzyç opornoÊç elektrycznà wo-
doru. (Opór, który przewód stawia prà-
dowi elektrycznemu, jest równy jego
opornoÊci pomno˝onej przez jego d∏u-
goÊç i podzielonej przez powierzchni´
jego przekroju poprzecznego.) Stwier-
dziliÊmy, ˝e pod ciÊnieniem 93 GPa
opornoÊç ciek∏ego wodoru wynosi∏a
oko∏o 1

Wcm, a zwi´kszenie ciÊnienia do

120 GPa zmniejsza∏o t´ wartoÊç do oko-
∏o 0.005

Wcm. WartoÊci te odpowiadajà

stanowi pó∏przewodzàcemu; opornoÊç
jest ni˝sza od opornoÊci typowych izo-
latorów, ale te˝ wy˝sza od opornoÊci
przewodników metalicznych.

Â

WIAT

N

AUKI

Sierpieƒ 2000 27

10

1

10

–1

10

–2

10

–3

10

–4

WODÓR

DEUTER

OpornoÊç (Ωcm)

CiÊnienie (GPa)

100

150

200

REZULTATY uzyskane w eksperymentach
z dzia∏em gazowym pokazujà, jak spada
opornoÊç ciek∏ego wodoru – a tym samym
roÊnie jego przewodnoÊç elektryczna – gdy
zwi´ksza si´ ciÊnienie wywierane na prób-
k´. W zakresie ciÊnieƒ od 93 do 120 GPa cie-
k∏y wodór jest pó∏przewodnikiem, ale pod
ciÊnieniem 140 GPa jego opornoÊç spada do
oko∏o 0.0005

W

cm i pierwiastek przechodzi

w stan metaliczny. Rezultaty dla deuteru,
izotopu wodoru, sà zbli˝one.

SLIM FILMS

SLIM FILMS

GAZOWY WODÓR

POCISK

LUFA

KOMORA
STANOWIÑCA
CEL

POJEMNIK
Z PRÓBKÑ

METALOWA
TARCZA UDAROWA

CZUJNIKI
W¸ÑCZAJÑCE

PLASTIKOWA OS¸ONA

P¸YTKI
Z SZAFIRU

CIEK¸Y
WODÓR

ELEKTRODY

Kiedy jednak zwi´kszyliÊmy ciÊnie-

nie do 140 GPa, opornoÊç ciek∏ego wo-
doru spad∏a do 0.0005

Wcm. Oznacza∏o

to, ˝e w tych warunkach wodór znajdo-
wa∏ si´ w stanie typowym dla metalicz-
nego przewodnika. OpornoÊç ta nie
zmienia∏a si´ pod jeszcze wy˝szymi ci-
Ênieniami uzyskiwanymi w naszych
eksperymentach (a˝ do 180 GPa). Te re-
zultaty by∏y dla mnie tak zaskakujàce, ˝e
nie zdecydowa∏em si´, by je natychmiast
opublikowaç. Sp´dzi∏em ponad rok na
dok∏adnym sprawdzaniu wyników, by
zrozumieç, dlaczego opornoÊç powin-
na byç sta∏a i nie zmieniaç si´ pod wy˝-
szymi ciÊnieniami.

Rozpatrujàc rzecz w skali atomowej,

podczas metalizacji wodoru nast´puje
uwolnienie cz´Êci elektronów nale˝à-
cych do czàsteczek wodoru [ilustracja
powy˝ej]. W niskich ciÊnieniach tenden-
cja do ∏àczenia si´ dwóch atomów wo-
doru w czàsteczk´ jest tak silna, ˝e cie-
k∏y wodór zawiera wy∏àcznie czàsteczki.
Ka˝da sk∏ada si´ z pary protonów oto-

czonej chmurà ∏adunku ujemnego. Po-
niewa˝ do usuni´cia elektronu z czà-
steczki wodoru potrzebna by∏aby sto-
sunkowo du˝a energia (rz´du 15 eV),
ciecz z∏o˝ona z molekularnego wodoru
nie mo˝e przewodziç pràdu elektrycz-
nego: jest zatem izolatorem.

Sytuacja ulega jednak zmianie, gdy

czàsteczki sà do siebie zbli˝ane i jedno-
czeÊnie ogrzewane, jak to dzieje si´
w warunkach odbitej fali uderzeniowej.
Przerwa energetyczna pomi´dzy pa-
smem wype∏nionym i pasmem prze-
wodnictwa (czyli energia potrzebna na
usuni´cie elektronu z czàsteczki, tak by
móg∏ staç si´ noÊnikiem pràdu) zmniej-
sza si´ wraz z malejàcà odleg∏oÊcià po-
mi´dzy czàsteczkami. Co wi´cej, ener-
gi´ potrzebnà dla uwolnienia elektronów
dostarcza si´ poprzez ogrzewanie prób-
ki podczas przejÊcia fali uderzeniowej.
W tych warunkach ciek∏y wodór jest pó∏-
przewodnikiem, a jego przewodnoÊç
elektryczna stopniowo zwi´ksza si´
(opornoÊç zaÊ stopniowo maleje), w mia-
r´ jak wzrasta g´stoÊç i temperatura.

Gdy zwi´kszyliÊmy ciÊnienie dyna-

miczne do 140 GPa, g´stoÊç ciek∏ego wo-
doru wzros∏a do 0.32 mol/cm

3

, a tem-

peratura podnios∏a si´ do 2600 K,
i przerwa energetyczna zmala∏a do
0.22 eV. Przy tej g´stoÊci czàsteczki wo-
doru znajdujà si´ tak blisko siebie, ˝e
nast´puje cz´Êciowe pokrywanie si´ ota-
czajàcych je chmur ∏adunku ujemnego
i elektrony swobodnie przeskakujà

z jednej czàsteczki do drugiej. W tych
warunkach elektrony stajà si´ ruchliwe
i dalsze zwi´kszanie g´stoÊci nie powo-
duje ju˝ istotnego zwi´kszania ich mo-
bilnoÊci. To t∏umaczy fakt, dlaczego dal-
sze zwi´kszanie ciÊnienia nie powoduje
ju˝ obni˝enia opornoÊci.

Poza tym w tych warunkach oko∏o

10% czàsteczek wodoru rozpada si´ na
atomy. Ciek∏y wodór zmienia si´ wi´c
w z∏o˝onà mieszanin´ czàsteczek, ato-
mów i prawdopodobnie klastrów wy˝-
szego rz´du. Zderzenia zachodzàce po-
mi´dzy czàsteczkami powodujà ich
rozpad na atomy, które z kolei rekombi-
nujà, tworzàc nowe moleku∏y. Z uwagi
na nieuporzàdkowany charakter cieczy
elektrony przewodnictwa sà rozprasza-
ne na poszczególnych czàsteczkach.
Stan taki odpowiada minimalnemu
przewodnictwu nieuporzàdkowanego
metalu.

CiÊnienie potrzebne do przeprowa-

dzenia w stan metaliczny zestalonego
wodoru jest wy˝sze ani˝eli w przypad-
ku stanu p∏ynnego. Jest to najprawdo-
podobniej spowodowane faktem, ˝e
podczas krzepni´cia atomy wodoru blo-
kujà si´ w w´z∏ach sieci krystalicznej,
co zwi´ksza luk´ energetycznà i utrud-
nia proces przejÊcia w stan metaliczny.
Gdy mamy do czynienia z cieczà nie
tworzy si´ taka struktura.

Wyniki uzyskane w pomiarach prze-

wodnoÊci elektrycznej i w badaniach nad
zachowaniem si´ wodoru w zakresie ul-

28 Â

WIAT

N

AUKI

Sierpieƒ 2000

CZÑSTECZKI w zwyczajnym ciek∏ym wo-
dorze (

z lewej) sà od siebie oddalone i elek-

trony – ukazane jako chmury ∏adunków
ujemnych – znajdujà si´ w bezpoÊredniej
bliskoÊci pary atomów tworzàcych czàstecz-
k´. Natomiast pod wysokim ciÊnieniem czà-
steczki zostajà tak bardzo do siebie zbli˝o-
ne, ˝e elektrony mogà ∏atwo przemieszczaç
si´ z jednej czàsteczki do drugiej i w ten
sposób stawaç si´ noÊnikami pràdu w sytu-
acji, gdy do ciek∏ego wodoru zostanie przy-
∏o˝one napi´cie elektryczne (

z prawej). Wy-

sokie ciÊnienie sprawia równie˝, ˝e oko∏o
10% czàsteczek dysocjuje i tworzà si´ poje-
dyncze atomy wodoru.

SLIM FILMS

ZWYK¸Y CIEK¸Y WODÓR

CZÑSTECZKI

WODORU

CHMURA
ELEKTRONOWA

CZÑSTECZKI

WODORU

ATOM

WODORU

KIERUNEK PRZEP¸YWU PRÑDU ELEKTRYCZNEGO

PARY
PROTONÓW

METALICZNY CIEK¸Y WODÓR

trawysokich ciÊnieƒ i temperatur okaza-
∏y si´ bardzo pouczajàce. W szczególno-
Êci pos∏u˝à do tworzenia modeli wn´trz
wielkich planet w rodzaju Jowisza i Sa-
turna. Obydwa te gazowe giganty razem
wzi´te wa˝à 400 razy wi´cej ni˝ Ziemia.
Znaczna cz´Êç wodoru znajdujàcego si´
w nich wyst´puje w postaci p∏ynu me-
talicznego, który wytwarza pola magne-
tyczne tych planet niczym nap´dzane
konwekcjà dynamo.

Jowisz w butelce

Przed opublikowaniem naszych wyni-

ków planetolodzy wysuwali hipotez´, ˝e
Jowisz pod grubà warstwà ob∏oków ma
p∏aszcz skroplonego wodoru, elektrycz-
nie b´dàcego izolatorem. P∏aszcz ten mia∏-
by si´ rozciàgaç na g∏´bokoÊç jednej
czwartej promienia planety (czyli oko∏o
18 tys. km). Przyjmowano, ˝e pod nim
znajduje si´ rdzeƒ utworzony przez me-
taliczny wodór. Model taki zak∏ada wyst´-
powanie ostrego rozgraniczenia pomi´-
dzy p∏aszczem i rdzeniem planety.
CiÊnienie (oko∏o 300 GPa) wynikajàce z si∏
grawitacji, które wyst´pujà na tej g∏´bo-
koÊci, przekszta∏ca wodór z nieprzewo-
dzàcej cieczy sk∏adajàcej si´ z dwuatomo-
wych czàsteczek w postaç metalicznà
o strukturze jednoatomowej. Tymczasem
rezultaty uzyskane w naszych laborato-
ryjnych eksperymentach Êwiadczà, ˝e
przejÊcie od wodoru czàsteczkowego do
jednoatomowego przebiega w cieczy
w sposób ciàg∏y. Nie wydaje si´ zatem re-
alne, aby we wn´trzu Jowisza wyst´po-
wa∏a jakaÊ ostra granica pomi´dzy jego
p∏aszczem a rdzeniem. Najprawdopodob-
niej czàsteczkowy wodór zaczyna dyso-
cjowaç przy oko∏o 40 GPa, a pe∏ne roze-
rwanie wiàzaƒ pomi´dzy czàsteczkami
dokonuje si´ w okolicy 300 GPa. Przewod-
noÊç elektryczna osiàga dla metalu war-
toÊç minimalnà przy 140 GPa i tempera-
turze 4000 K. CiÊnienie takie powinno
wyst´powaç ju˝ na g∏´bokoÊci 7000 km.

Wynika stàd, ˝e pole magnetyczne Jo-

wisza wytwarzane jest znacznie bli˝ej
jego powierzchni ani˝eli wczeÊniej sà-
dzono, co pozwala wyjaÊniç, dlaczego
pole magnetyczne na powierzchni tej
planety ma oko∏o 10 Gs, a wi´c jest sto-
sunkowo du˝e. Dla porównania: pole
magnetyczne Ziemi wytwarzane w
znacznie g∏´bszych jej warstwach (a mia-
nowicie w rdzeniu zbudowanym z ˝e-
laza i rozciàgajàcym si´ od Êrodka jedy-
nie do po∏owy promienia) wynosi
zaledwie 0.5 Gs.

Wiedza o tym, jak zachowuje si´ cie-

k∏y wodór w szerokim zakresie tempe-
ratur i ciÊnieƒ, ma tak˝e wielkie znacze-
nie w pracach nad fuzjà z inercyjnym
utrzymaniem plazmy (ICF – inertial-con-

Â

WIAT

N

AUKI

Sierpieƒ 2000 29

W

naszych eksperymentach wodór pozostaje w stanie metalicznym przez
okres krótszy ni˝ mikrosekunda. Gdyby jednak uda∏o si´ wytworzyç me-
taliczny wodór i utrzymaç go w tym stanie w warunkach normalnych,

tzn. w temperaturze pokojowej i pod ciÊnieniem atmosferycznym, to mo˝liwoÊci wy-
korzystania takiego materia∏u by∏yby ogromne. Poniewa˝ na razie nie wiadomo ani
jak, ani czy w ogóle metaliczny wodór uda si´ wytworzyç i utrzymaç w warun-
kach naszego Êrodowiska, to, o czym teraz powiemy, nale˝y traktowaç jako czy-
stà spekulacj´ naukowà. Ogólnie rzecz bioràc, w∏asnoÊci elektryczne, magne-
tyczne, optyczne, termiczne i mechaniczne takiej substancji by∏yby najprawdopo-
dobniej niezwyk∏e. Oto niektóre z jej hipotetycznych zastosowaƒ.

Nadprzewodnik w temperaturze pokojowej

Niektórzy fizycy przewidujà, ˝e sta∏y metaliczny wodór powinien przewodziç pràd
w sposób bezoporowy ju˝ w temperaturze pokojowej. Taki nadprzewodnik zre-
wolucjonizowa∏by zapewne wspó∏czesne ˝ycie w wielu aspektach; nie by∏oby
strat energii w liniach przesy∏owych, zwi´kszy∏aby si´ szybkoÊç operacji wykony-
wanych przez komputery, pociàgi mog∏yby si´ unosiç na poduszkach magne-
tycznych, a wielkie iloÊci energii da∏oby si´ przechowywaç bez znaczàcych strat
w polach magnetycznych. Najlepsze dost´pne obecnie nadprzewodniki wyso-
kotemperaturowe pracujà w temperaturach oko∏o 150 K (czyli –123°C) i wyma-
gajà sch∏adzania ciek∏ym azotem, co czyni je niepraktycznymi w powszechnych
zastosowaniach.

Lekkie konstrukcje

Zastosowanie odpowiednich dodatków wià˝àcych czàsteczki i atomy wodoru po-
zwoli∏oby uzyskaç pod wysokim ciÊnieniem wodór metaliczny dostatecznie sta-
bilny i wytrzyma∏y. Nast´pnie szybkie sch∏odzenie i zredukowanie ciÊnienia pro-
wadzi∏oby do uzyskania materia∏u podobnego do szk∏a metalicznego w rodzaju
takiego, jaki obecnie mo˝na otrzymaç w przypadku palladu, jeÊli jest on stabilizo-
wany borem lub fosforem. Zestalony wodór metaliczny mia∏by prawdopodobnie g´-
stoÊç zbli˝onà do swojego ciek∏ego odpowiednika, a wi´c oko∏o 0.7 g/cm

3

, albo co

najwy˝ej g´stoÊç zbli˝onà do tej, którà ma woda. Taka substancja by∏aby trzy-
krotnie l˝ejsza od aluminium i blisko dziesi´ciokrotnie l˝ejsza od ˝elaza. Nieste-
ty, nie jest mo˝liwe oszacowanie wytrzyma∏oÊci takiego materia∏u. W najbardziej
optymistycznym przypadku da∏oby si´ wykorzystaç metaliczny wodór do budowy
lekkich samochodów, znacznie oszcz´dniejszych w eksploatacji ani˝eli konwen-
cjonalne pojazdy.

Czyste paliwo

Dzi´ki swojej g´stoÊci sta∏y metaliczny wodór móg∏by przechowywaç znaczne ilo-
Êci energii, a nast´pnie uwalniaç je z chwilà przejÊcia w postaç gazowà. Nie po-
trafimy jeszcze oszacowaç wydajnoÊci takiego procesu, ale jest oczywiste, ˝e
pierwotnym produktem reakcji by∏by gazowy wodór, a zatem paliwo z zestalone-
go wodoru by∏oby przyjazne Êrodowisku, pod warunkiem ˝e dysponowalibyÊmy
odpowiednimi dodatkami pozwalajàcymi na jego stabilizacj´. Gdyby ta energia
mog∏a byç uwalniana stosunkowo wolno, metaliczny wodór zastàpi∏by benzyn´
i inne paliwa u˝ywane w Êrodkach transportu. JeÊli uwalnianie energii przebiega-
∏oby szybciej, wówczas taki wodór znalaz∏by zastosowanie jako paliwo rakieto-
we. W przeliczeniu na kilogram masy sta∏y wodór metaliczny móg∏by dawaç si∏´
ciàgu pi´ciokrotnie wi´kszà ani˝eli paliwo tlenowo-wodorowe stosowane obec-
nie do odpalania rakiet. Wreszcie mo˝liwoÊç uwalniania energii w sposób ekstre-
malnie szybki czyni∏aby metaliczny wodór doskona∏ym materia∏em wybuchowym.

Kuleczki do fuzji termojàdrowej

Wodór w postaci mieszaniny deuteru i trytu (DT) stosowany jest jako paliwo w pro-
cesach fuzji z inercyjnym utrzymaniem plazmy. Laser du˝ej mocy powoduje kom-
presj´ i rozgrzanie takiego paliwa, generujàc reakcj´ fuzji. Kuleczki (pelety) spo-
rzàdzone z zestalonego metalicznego wodoru mog∏yby dostarczyç znacznie
wi´kszej energii ani˝eli inne formy takiego paliwa deuterowo-trytowego i to nie
ze wzgl´du na metaliczny charakter, ale z uwagi na swojà wysokà g´stoÊç. Sto-
sujàc metaliczne paliwo DT, in˝ynierowie mogliby w okreÊlonej obj´toÊci zmie-
Êciç znacznie wi´cej paliwa, ni˝ jest to mo˝liwe, gdy stosuje si´ tarcze zawiera-
jàce gazy lub sch∏odzone kryszta∏y molekularne. Poza tym wysoka wyjÊciowa
g´stoÊç metalicznych kuleczek DT zwi´kszy∏aby znacznie sprawnoÊç samego
procesu.

Hipotetyczne zastosowania metalicznego wodoru

finement fusion). W procesie tym kulecz-
ka (pelet) paliwa sk∏adajàca si´ z miesza-
niny izotopów wodoru – deuteru i try-
tu – zostaje umieszczona w wydrà˝eniu
o specjalnym kszta∏cie (nazywanym
z niemiecka „hohlraumem”) i poddana
dzia∏aniu silnych impulsów laserowych
rozciàgni´tych w czasie. Pierwszy im-
puls lasera wytwarza fal´ uderzeniowà
o ciÊnieniu rz´du 100 GPa, a dalsze kolej-
no po sobie nast´pujàce impulsy dzia∏a-
jà niczym odbijane fale uderzeniowe wy-
twarzane w naszych eksperymentach.
Dla naukowców pracujàcych nad ICF
wiedza, jak wodór reaguje na takie ci-
Ênienia, pozwala precyzyjniej zaplano-
waç przebieg impulsów laserowych.

Nie potrafimy jeszcze rozwiàzaç jed-

nej z najbardziej interesujàcych nauko-
wych zagadek: czy wodór, który zosta∏
przekszta∏cony w postaç metalicznà,
mo˝e pozostawaç w tym stanie nawet
w temperaturze pokojowej i pod ciÊnie-
niem atmosferycznym. Byç mo˝e uda
si´ Êcisnàç wodór, a nast´pnie szybko

zredukowaç ciÊnienie i w ten sposób za-
chowaç jego metaliczny charakter w sta-
nie sta∏ym, podobnie jak dzieje si´ to z
w´glem, który przekszta∏ciwszy si´
w diament, zachowuje nowà struktur´
krystalicznà nawet po zmniejszeniu ci-
Ênienia. Taki materia∏ z pewnoÊcià zna-
laz∏by wiele zastosowaƒ [ramka na po-
przedniej stronie].

Zadanie to b´dzie jednak trudne, po-

niewa˝ wodór charakteryzuje si´ bar-
dzo du˝ymi si∏ami van der Waalsa, co
oznacza, ˝e po usuni´ciu ciÊnienia jego
czàsteczki zacznà si´ wzajemnie silnie
odpychaç. Prawdopodobnie trzeba by
znaleêç jakieÊ dodatkowe substancje,
które przy∏àczà si´ do czàsteczek i ato-
mów wodoru pod wysokim ciÊnieniem,
a nast´pnie utrzymajà je razem nawet
po zmniejszeniu ciÊnienia.

Byç mo˝e podczas kolejnych ekspe-

rymentów z dzia∏em gazowym wpad-
niemy na pomys∏, jak to zrobiç. Ale na-
wet jeÊli si´ nam to nie uda, jesteÊmy
przekonani, ˝e zdob´dziemy jeszcze

wi´cej informacji o niezwyk∏ym zacho-
waniu si´ wodoru w warunkach ekstre-
malnych ciÊnieƒ. To fascynujàca sub-
stancja – najprostszy pierwiastek che-
miczny we WszechÊwiecie, a zarazem
o tak niezwyk∏ych w∏aÊciwoÊciach.

T∏umaczy∏

Stanis∏aw Filipek

30 Â

WIAT

N

AUKI

Sierpieƒ 2000

Informacje o autorze

WILLIAM J. NELLIS pracuje jako fizyk w Lawrence Livermore Natio-
nal Laboratory w Livermore w Kalifornii. Doktoryzowa∏ si´ w Iowa
State University w roku 1968. W swoich pracach koncentrowa∏ si´ na ba-
daniu materia∏ów przed i po poddaniu ich Êciskaniu w warunkach dy-
namicznych. Jego pomiary dotyczy∏y przewodnictwa elektrycznego,
wyznaczania równania stanu, profilu fali uderzeniowej oraz przejÊç fa-
zowych w cieczach i w cia∏ach sta∏ych. W roku 1997 zosta∏ uhonorowa-
ny nagrodà za badania z zastosowaniem ciÊnieƒ dynamicznych (Shock
Compression Science Award) przyznawanà przez American Physical So-
ciety za pionierskie prace eksperymentalne nad p∏ynami molekularny-
mi i planetarnymi.

WN¢TRZE JOWISZA sk∏ada si´ g∏ównie z ciek∏ego wodo-
ru. WczeÊniej planetolodzy sàdzili, ˝e wodór przekszta∏ca si´
w metal na g∏´bokoÊci 18 tys. km, gdzie ciÊnienie powoduje
rozerwanie czàsteczek i wytworzenie wodoru atomowego (

z le-

wej). Wyniki eksperymentów przeprowadzonych w Livermore La-
boratory Êwiadczà jednak, ˝e przejÊcie w postaç atomowà dokonu-
je si´ stopniowo i ˝e wodór staje si´ metalem ju˝ na g∏´bokoÊci zaledwie
7000 km (

z prawej). Ten nowy model pozwala wyjaÊniç, dlaczego Jowisz

ma tak silne pole magnetyczne (

poni˝ej z prawej).

Literatura uzupe∏niajàca

DENSE HYDROGEN: THE RELUCTANT ALKALI.

N. Ashcroft, Physics World,

vol. 8, nr 7, s. 43-48; VII / 1995.

METALLIZATION OF FLUID MOLECULAR HYDROGEN AT 140 GPA (1.4 MBAR).

S. T. Weir, A. C. Mitchell i W. J. Nellis, Physical Review Letters,
vol. 76, nr 11, s. 1860-1863; 11 III 1996.

SOLID HYDROGEN AT 342 GPA: NO EVIDENCE FOR AN ALKALI METAL.

Chan-

drabhas Narayana, Huan Lou, Jon Orloff i Arthur L. Ruoff, Natu-

re, vol. 393, s. 46-49; 7 V 1998.

Wi´cej informacji na temat metalicznego wodoru mo˝na znaleêç

w Internecie pod adresem: www-phys.llnl.gov/H_Div/ GG/Nel-
lis.html

SLIM FILMS

STARY MODEL

NOWY MODEL

METALICZNY
CIEK¸Y
WODÓR

NIEPRZEWODZÑCY
CIEK¸Y
WODÓR

WODÓR

PRZECHODZI

W METAL

CZÑSTECZKI WODORU

ZACZYNAJÑ

DYSOCJOWAå

WODÓR STAJE SI¢

WY¸ÑCZNIE

JEDNOATOMOWY

POLE
MAGNETYCZNE