هیدروژن فلزی در راه است

به گزارش خبرنگار فناوری خبرگزاری علم و فناوری آنا، چه چیزی برق می‌زند و الکتریسیته را هدایت می‌کند؟ پاسخ معمولاً یک فلز است. هیدروژن، یک گاز بی رنگ و بی بو است.

حداقل در نگاه اول، این عنصری نیست که خواص فلزی را نشان دهد. با این حال، از اواخر دهه ۱۸۰۰، فیزیکدانان این نظریه را مطرح کردند که می‌توان تحت شرایط خاصی هیدروژن فلزی ساخت.

این نظریه‌ها تا حدی به این دلیل که هیدروژن فلزی در سراسر منظومه شمسی یافت می‌شود، مورد توجه قرار گرفته است. برای مثال، تصور می‌شود که درون مشتری هیدروژن فلزی است - فشار شدید درون غول گازی، گاز هیدروژن را به یک فلز ابررسانا فشرده می‌کند که میدان مغناطیسی قوی سیاره را ایجاد می‌کند.

اما روی زمین، دشواری‌های تجربی، ساخت هیدروژن فلزی را به مدت تقریبا یک قرن، دور از دسترس کرده است.

سال ۱۹۳۵، فیزیکدانان «یوجین ویگنر»، رهبر فیزیک حالت جامد و «هیلارد بل هانتینگتون» مقاله‌ای را در مجله فیزیک شیمی منتشر کردند که در آن پیشنهاد کردند که هیدروژن می‌تواند تحت فشار‌های بالا فلزی شود. آن‌ها فرض کردند که این پدیده درفشار ۲۵ گیگا پاسکال (GPa) رخ می‌دهد – ۲۵۰ هزار برابر فشار اتمسفر در سطح دریا.

«یوجین گرگوریانز» استاد فیزیک در دانشگاه ادینبورگ که در زمینه شرایط شدید و حاد مطالعه می‌کند گفت: «در واقعیت، این میزان فشار بسیار بالاتر است.

پیش‌بینی‌های ویگنر و هانتینگتون به عنوان حد پایینی از فشار بالا مورد نیاز برای دستیابی به حالت فلزی است.

در طول سال‌ها، چندین گروه تحقیقاتی ادعا کرده‌اند که هیدروژن فلزی ایجاد کرده‌اند، اما نتایج آن‌ها با اندازه‌گیری ضعیف، توضیح داده شده است.

یک مطالعه دانشگاه هاروارد در سال ۲۰۱۷ که در مجله Science منتشر شد، ادعا کرد که هیدروژن فلزی را با ۴۹۵ گیگا پاسکال ساخته است، اما به دلیل نگرانی در مورد نحوه کالیبره کردن اندازه‌گیری‌های فشار، مدل‌هایی که مشاهدات خود را با آن‌ها مقایسه کردند و فقدان تکرارپذیری، این دستاورد، تردید و بحث را برانگیخت.

گرگوریانز گفت: تنها اندازه‌گیری‌هایی که ارائه شد، چهار عکس بود که از با یک گوشی تلفن همراه آیفون تهیه شده بود.

یک مطالعه در سال ۲۰۱۹ که در مجله Nature Physics منتشر شد، هیدروژن نیمه فلزی را در ۳۵۰ گیگا پاسکال گزارش کرد.

«میخائیل ارمتس»، یکی از نویسندگان این مطالعه، دانشمند تجربی در فیزیک فشار بالا، شیمی و علم مواد در مؤسسه شیمی ماکس پلانک در آلمان، گفت: ما هیدروژن را به شدت فشرده کردیم، تقریبا ۲۰ برابر حجمش. این آزمایشات پرفشار تنها با ساخت سلول سندان الماس ممکن شد.

با این روش، گاز هیدروژن متراکم یا گاز مایع، در یک قوطی کوچک قرار می‌گیرد و بین دو الماس -سخت‌ترین ماده شناخته شده- فشرده می‌شود.

اگرچه هیدروژن فقط یک الکترون دارد، اما به طور طبیعی H۲ را تشکیل می‌دهد، زمانی که دو اتم هیدروژن توسط دو الکترون جفت نشده کنار هم نگه داشته می‌شوند، یک پیوند کووالانسی تشکیل می‌دهند. با فشرده شدن مولکول‌های هیدروژن، نیروی بین دو اتم، مانند یک فنر، شروع به ارتعاش می‌کند. فرکانس این ارتعاشات بالا می‌رود، یعنی اتم‌ها به یکدیگر نزدیک می‌شوند.

در این نقطه، فاصله بین اتم‌ها به قدری ناچیز است که مولکول‌ها به هیدروژن جامد تبدیل می‌شوند. حالت جامد هیدروژن در سال ۱۹۷۹ در فشار ۵.۵ گیگا پاسکال و کمی بالاتر از دمای اتاق به دست آمد.

اگر دانشمندان فشار را افزایش دهند یعنی وقتی از ۳۳ گیگا پاسکال بالاتر می‌رود، اتفاق عجیبی رخ می‌دهد: فرکانس شروع به کاهش می‌کند، به این معنی که اتم‌ها از یکدیگر دور می‌شوند.

مطالعه‌ای در سال ۱۹۸۰ که در مجله Physical Review Letters منتشر شد، این اثر را مشاهده کرد. محققان محاسبه کردند که اگر فشار همچنان افزایش یابد، پیوند بین اتم‌های هیدروژن در نهایت شکسته می‌شود و یک فلز قلیایی خالص را با یک ظرفیت (والانس) ایجاد می‌کند. فلزات قلیایی به جامدات متصل می‌شوند و الکترون‌های والانس (اخرین لایه الکترون) خود را برای رسانایی الکتریسیته به اشتراک می‌گذارند.

گرگوریانز گفت: از سوی دیگر، اتم‌های هیدروژن به طور طبیعی مولکول H۲ را تشکیل می‌دهند که یکی از قوی‌ترین پیوند‌ها را در شیمی دارد. فقط فشار بالا - مانند فراتر رفتن از ۳۳ گیگا پاسکال - یا دمای پایین می‌تواند این پیوند را برای ایجاد یک فلز قلیایی بشکند.

فلزات قلیایی مانند لیتیوم و سدیم در گروه یک جدول تناوبی درست زیر هیدروژن قرار دارند. آن‌ها با آب واکنش می‌دهند تا پایه‌های قوی یا قلیایی‌ها را تشکیل دهند.

با گذشت بیش از ۴۰ سال، تحقیقات در این زمینه به کندی پیش می‌رفت. ارمتس گفت: این آزمایش واقعاً دشواری است، زیرا الماس‌ها گاهی می‌شکنند، گاهی نمی‌توان به بالاترین فشار‌ها رسید، یا نمی‌توان روی چنین نمونه‌های کوچکی که تنها چند میکرومتر هستند، اندازه‌گیری صورت داد.

گرگوریانز افزود: حتی هنوز هیدروژن فلزی جامد احتمالاً دور از دسترس نیست. گروه تحقیقاتی او و دیگران تیره شدن نمونه هیدروژن را مشاهده کرده اند که نشان می‌دهد «شکاف نواری» در حال بسته شدن است. شکاف نواری فضای بین ناحیه هدایت و نوار ظرفیت است.

بر اساس دانشنامه آموزش انرژی از دانشگاه کلگری، در ناحیه هدایت، الکترون‌ها آزادانه حرکت می‌کنند و جریان الکتریکی ایجاد می‌کنند.

در فلزات، فضای بین ناحیه رسانایی و باند ظرفیت با هم همپوشانی دارد و رسانایی الکتریکی ایجاد می‌کند.
گرگوریانز گفت: ویژگی‌های این حالت فلزی چیزی است که فکر می‌کنم حتی از خود فلز هم جالب‌تر است. یک ایده پیش بینی می‌کند که هیدروژن در شکل فلزی خود مایع خواهد بود و می‌تواند یک ابررسانا باشد.

ارمتس نیز اظهار داشت: ابررسانا‌های جدید مهم هستند، زیرا گزینه‌های فعلی شکننده اند و فقط در دمای بسیار پایین کار می‌کنند. ابررسانا‌ها برای فناوری‌های مدرن مانند تراشه‌های کامپیوتری و دستگاه‌های MRI ضروری هستند.

گرگوریانز فکر نمی‌کند به این زودی‌ها از ابررسانا‌های هیدروژنی در صنعت استفاده شود، زیرا هیدروژن فلزی خالص، فراتر از توانایی‌های تکنولوژیکی فعلی است.

بسیاری از دانشمندان از جمله گریگوریانز تلاش خود را بر روی هیدرید‌ها متمرکز کرده اند که از یک فلز به اضافه هیدروژن ساخته شده اند. این نمونه‌ها هنوز کوچک هستند، اما هیدرید‌ها در واقع ابررسانا‌هایی را تشکیل می‌دهند که تحت فشار بسیار کمتر از فشار مورد نیاز هیدروژن خالص کار می‌کنند.

گرگوریانز گفت، با این حال، این فشار‌ها هنوز برای استفاده در صنعت بسیار زیاد است. اما به عنوان یک پدیده فیزیکی، کاملاً جذاب!