Как ионы водорода текут сквозь твёрдый кристалл экспресс
В твёрдом кристалле, похожем на слоёный пирог из атомов лантана, кислорода и водорода, электричество переносят не электроны, а сами ионы водорода. Обычно ион в кристалле сидит в своей ячейке, как горошина в стручке, и лишь изредка перескакивает в соседнюю пустую ячейку. Но в этом материале всё иначе.
Физики облучили кристалл субатомными частицами — мюонами, которые заняли места между атомами и «почувствовали» движение соседей. Оказалось, вокруг 160 градусов Кельвина (около минус 113 по Цельсию) ионы водорода начинают двигаться согласованно, как молекулы в густой патоке. Их прыжки зависят от наличия свободных мест рядом: нет пустой ячейки — нет прыжка.
Это противоречие навело учёных на мысль, что при нагреве ионы водорода перестают вести себя как отдельные частицы и превращаются в подобие вязкой жидкости, которая «замерзает» при охлаждении, как стекло. Такое поведение объясняет, почему кристалл так хорошо проводит ток ионами водорода.
Теперь понятнее, как устроены твёрдые электролиты с водородом. Если научиться управлять этой «жидкостью» внутри кристалла, можно создать батареи и топливные элементы, которые работают быстрее и надёжнее.
Мюон, которым «просвечивали» кристалл, живёт всего две миллионные доли секунды, но за это время успевает рассказать о движении соседних ионов.
В романе Артура Кларка «Свидание с Рамой» инопланетный корабль использует твёрдые материалы с необычной внутренней текучестью — чем-то похоже на этот кристалл.