Сверхтекучие нанокластеры водорода: прорыв в безопасном сохранении экологичного топлива

Под руководством химиков из Университета Британской Колумбии (UBC) международная команда учёных продемонстрировала, что нанокластеры водорода при экстремально низких температурах проявляют «сверхтекучесть» — квантовое состояние, характеризующееся отсутствием трения при течении, ранее наблюдаемое только у гелия.

Свойства сверхтекучести гелия были открыты ещё в 1936 году, когда учёные зафиксировали, что при низких температурах атомы гелия могут свободно перемещаться через узкие каналы без трения или вязкости. Позднее было установлено, что особые атомарные газы также проявляют подобные качества.

В 1972 году физик и нобелевский лауреат Виталий Гинзбург предсказал, что жидкий водород тоже способен быть в сверхтекучем состоянии. Однако до сих пор учёные не имели возможности непосредственно наблюдать молекулы водорода, переходящие в это состояние.

Изучение жидкого водорода связано с ощутимыми трудностями, поскольку он затвердевает при температуре -259°C. Однако исследователи из UBC, в сотрудничестве с японскими партнёрами из RIKEN и Университета Канадзавы, смогли удерживать водород в жидком состоянии при сверхнизких температурах. Для достижения этого они поместили небольшие пустоты молекул водорода в капли гелия при -272,25°C (0,4 K).

Затем учёные внедрили молекулу метана в водородный кластер, заставив её вращаться при помощи лазерных импульсов. Вращение метана стало индикатором сверхтекучести: его свободное движение без сопротивления указало на присутствие сверхтекучего состояния водорода. Этот эффект проявился, когда в кластер было добавлено от 15 до 20 молекул водорода.

Доктор Хацуки Отани, проводивший эксперименты для своей докторской диссертации по химии в UBC, поделился своими впечатлениями: «Мы были чрезвычайно вдохновлены, впервые наблюдая ясный спектр метана в крошечном объёме жидкого водорода. Это явилось убедительным доказательством сверхтекучести водорода. Позднее теоретические расчёты наших коллег из Университета Канадзавы полностью совпали с нашими наблюдениями».

Водород активно используется в топливных элементах, приводящих к выделению только воды в качестве отхода. Сложности с производством, хранением и транспортировкой водорода сдерживают развитие его инфраструктуры. Однако открытие сверхтекучести водорода может вдохновить на разработку инновационных технологий, значительно облегчающих транспортировку и хранение водорода, что может существенно продвинуть чистую энергетику.

Источник: iXBT