بیش از ۸۰ سال است که دانشمندان رشتههای مختلفی نظیر شیمی و فیزیک مشکوک هستند که عنصر هیدروژن به صورت فلزی (فلز هیدروژن یا هیدروژن فلزی یا هر نام دیگری که بر آن میگذارید) در برخی از نقاط کرهی زمین وجود دارد، اما تا به حال هیچکس قادر به تولید هیدروژن فلزی روی زمین نبوده است. این برای اولین بار است که دانشمندان توانستهاند هیدروژن فلزی را در آزمایشگاه تولید کنند، از آن عکس بگیرند و ویژگیهای آن را بررسی کنند.
بدون شک وقتی که بحث عناصر شیمیای باشد، اولین چیزی که در این رابطه به یاد میآورید، جدول تناوبی (مندلیف) چاپ شده روی جلد کتابهای شیمی دورهی دبیرستان است. همهی ما از سالهای دبیرستان به یاد داریم که همهی عناصر جدول تناوبی به دو دستهی فلز و نافلز تبدیل میشوند. عناصر فلزی عموماً براق، چکش خوار، رسانای برق و در دمای اتاق جامد هستند و نافلزات برعکس. بر همین اساس به طور معمول، عنصر هیدروژن به عنوان اولین عنصر جدول تناوبی، در بالای این جدول و در بخش نافلزات قرار میگیرد؛ موضوعی که البته شاید تا چند روز پیش درست بوده است اما دیگر صحیح نیست و دانشمندان دانشگاه هاروارد آن را نقض کردهاند و توانستهاند برای اولین بار هیدروژن فلزی را تولید کنند.
این اولین نمونه از هیدروژن فلزی بر روی کرهی زمین است. زمانی که شما به آن نگاه میکنید در واقع در حال مشاهدهی چیزی هستید که تا پیش از این وجود نداشته است.
آیزاک سیلورا، دانشگاه هاروارد
نظریهی هیدروژن فلزی
در سال ۱۹۳۵ دو دانشمند دانشگاه پریستون در نیوجرسی امریکا به نامهای وینگر و هانتیگتون با انتشار مقالهای در مجلهی The Journal of Chemical Physics برای اولین بار امکان وجود فلز هیدروژن با قابلیت ابررسانا بودن در دمای اتاق را مطرح و برای دستیابی به این فلز، راهکاری معرفی کردند. یکی از این راهکارها افزایش فشار هیدروژن تا ۲۵ گیگاپاسکال بود که البته کار چندان آسانی نیست. نظریهی هیدروژن فلزی سالها مورد بحث دانشمندان باقی ماند و محققان بسیاری برای دستیابی به صورت فلزی هیدروژن تلاش کردند اما هیچیک موفق نشدند؛ اما بالاخره دو فیزیکدان آزمایشگاه فیزیک دانشگاه هاروارد به نامهای سیلورا و دیاز موفق شدند هیدروژن فلزی را تولید کنند.
نکتهی هیجان انگیز این بود که با افزایش فشار گاز هیدروژن تا حد لازم، مشاهده کردیم که هیدروژن به یک فلز تبدیل شد. ابتدا هیدروژن بی رنگ بود، سپس غیر شفاف و سیاه شد، پس از آن ناگهان درخشان شد. در واقع مشاهده کردیم که تبدیل به فلز شد.
آیزاک سیلورا، دانشگاه هاروارد
روش تولید هیدروژن فلزی
گروه تحقیقاتی برای ساخت نمونه، گاز هیدروژن را در قفسی (تابوتی) از جنس الماس محبوس کردند و دمای آن را به ۵٫۵ کلوین (-۲۶۷٫۶۵ درجهی سانتیگراد) رسانده و آن را در فشار فوقالعاده بالا قرار دادند. فشار بالا در این فرآیند واقعاً بالاست. گاز هیدروژن تحت فشاری بین ۴۶۵ تا ۴۹۵ گیگاپاسکال قرار داشته است. فشاری که حدود ۲۰ برابر از فشار پیش بینی شده در سال ۱۹۳۵ بیشتر است.
پژوهشگران سریعاً تغییر هیدروژن به فلز را مشاهده کردند اما برای اثبات این موضوع که آنچه تولید شده هیدروژن فلزی است از اندازه گیریهای طیف سنجی مانند اندازه گیری بازتابش استفاده و تأیید شد که عنصری که به صورت فلزی تولید شده، هیدروژن استاندارد (H2) است؛ که به صورت اتمهای فلزی در آمده است. هیدروژن فلزی تولید شده توسط سیلورا و گروهش، بسیار کوچک است و تنها ۱ تا ۱٫۵ میکرون ضخامت و ۱۰ میکرون قطر دارد.
حالا میدانیم هیدروژن فلزی وجود دارد و دیگر این موضوع یک نظریه نیست، بلکه یک واقعیت است. با اثبات این موضوع سؤالات بسیاری ایجاد میشود که باید پاسخشان یافته شود، مهمترین سؤال این است که هیدروژن فلزی جامد است یا مایع؟ زیرا از لحاظ نظری هر دو حالت ممکن است. سؤال مهم دیگر خاصیت ابررسانایی هیدروژن فلزی است. خاصیتی که اگر مطابق پیش بینی دانشمندان باشد، باید در دمای اتاق روی دهد. هیدروژن فلزی، باید ابررسانا در دمای اتاق باشد و این موضوع تغییر بسیار بزرگی در علوم صنایع بشری است.
این موضوع چالشی برای ماست و ما قصد امتحان کردنش را داریم.
آیزاک سیلورا، دانشگاه هاروارد
ابررسانا در دمای اتاق
ابررسانا، مادهای است که قادر است جریان الکتریکی را بدون هیچ مقاومتی عبور دهد. در حالت عادی برای دست یافتن به ابررسانایی باید به دمای صفر مطلق (کلوین) دست یافت، موضوعی که تلاش زیادی برای رسیدن به آن انجام شده است و حتی محققان به دمای ۵۰۰ نانوکلوین نیز دست یافتهاند. اما برای هیدروژن فلزی پیش بینی شده است که در دمای اتاق ابررسانا خواهد شد و نیازی به سرد کردن تا صفر کلوین نیست. در حال حاضر از عناصر ابررسانا در تجهیزات مختلفی نظیر تولید میدان مغناطیسی در دستگاههای MRI و قطارهای مَگلِو استفاده میشود. هر چند برای رسیدن به ابررسانایی در این تجهیزات، نیاز به دمای -۲۶۹ درجهی سانتی گراد است که قمیت این دستگاهها را بسیار بالا بردهو محدودیتهایی در استفاده از آنها ایجاد کرده است.
از سویی دیگر اگز دانشمندان بتوانند مواد ابررسانا در دمای اتاق را تولید کنند، تحولی عظیم در صنعت برق ایجاد میشود، زیرا در حال حاضر به طور متوسط ۱۵ درصد از برق تولیدی در مسیرهای انتقالی از بین میرود. همچنین از این مواد میتوان به عنوان سوخت موشکهای فضایی نیز استفاده کرد. به هر حال این فناوری هنوز در ابتدای راه است و باید منتظر ماند و ادامهی پژوهشهای این پروژه را دید.
نتایج حاصل از کار سیلورا و همکارانش در مجلهی ساینس به چاپ رسیده است.