Новые соединения урана могут оказаться высокотемпературными сверхпроводниками.

Основное свойство урана – его радиоактивность, именно она позволяет использовать его в качестве ядерного топлива на атомных электростанциях. Другая уникальная особенность урана заключается в его крайне высокой плотности, что делает металлический уран одним из самых тяжёлых материалов на Земле – он практически в полтора раза тяжелее ртути.

Кристаллическая структура гидридов урана, а также фрагмент цепочки кубов, образованной атомами водорода. (Иллюстрация: Science Advances)

Высокая плотность оказывается кстати там, где требуется большая масса при минимальном объёме: из урана изготавливают балластные массы для летательных средств или элементы роторов и гироскопов. Благодаря исследователям из институтов России, Китая и США уран может получить ещё одну крайне интересную область применения – в качестве высокотемпературного сверхпроводника.

Сверхпроводимость – это полное исчезновение у материала электрического сопротивления. В самых ранних опытах (которым уже, заметим, более сотни лет) для достижения состояния сверхпроводимости материал приходилось охлаждать до температуры очень близкой к абсолютному нулю (-273 °С). Постепенно исследователи научились создавать сверхпроводимость во всё большем числе материалов при всё более высоких температурах. Однако для практического применения, например для создания сильных магнитных полей, всё равно используются сверхпроводники, работающие при весьма низких температурах, поскольку их высокотемпературные собратья, как оказалось, довольно капризны и неудобны в использовании.

Тем не менее, попытки повысить максимальную температуру сверхпроводимости не прекратились. Так, в 2015 году было получено необычное соединение серы и водорода с формулой H₃S, проявлявшее свойства сверхпроводника при рекордно «высокой» температуре -70 °С, что уже на целый десяток градусов больше, чем самая холодная температура, зафиксированная на Земле. Правда, своеобразной расплатой за высокую температуру стало чудовищно большое давление – почти полтора миллиона атмосфер, что резко осложняет обращение с подобным веществом. Хотя главным в этом исследовании стало открытие совершенно новой области сверхпроводящих материалов: гидридов неметаллов.

А сейчас выяснилось, что и соединения металлов с водородом – гидриды металлов – тоже могут быть кандидатами в высокотемпературные сверхпроводники. Теоретики из Московского физико-технического института (МФТИ) и Сколковского института науки и технологий с помощью расчётов предсказали существование 14 гидридов, которые стабильны при гораздо менее высоких давлениях, исчисляемых уже не миллионами, а «всего лишь» десятками тысяч атмосфер. Такими соединениями стали разнообразные гидриды урана.

Расчёты подтвердились на практике, когда образцы металлического урана насыщали водородом в специальной алмазной ячейке. Исследователи получили соединения с необычными с точки зрения классической химии формулами UH₅, UH₇ и UH₈ и с необычной структурой – её можно представить как цепочку из кубов, в вершинах которых расположены атомы водорода, а атомы урана располагаются в различных пустотах.

Другие расчёты, которые ещё предстоит проверить, предсказывают, что подобные гидриды урана могут сохранять стабильность и при снижении давления, вплоть до атмосферного. Возможно, что это позволит при создании сверхпроводников решить проблему выбора между «низкой температурой и низким давлением» и «высокой температурой и высоким давлением».

По материалам пресс-службы МФТИ и Сколтеха.