جام مقدس فیزیک به حقیقت پیوست: هیدروژن فلزی ساخته شد!

MacTavish · 25/8/19

هیدروژن فلزی که شکل عجیب و غریب این عنصر به‌شمار می‌رود، 80 سال پس از پیش‌بینی‌ فیزیکدانان، بالاخره به واقعیت‌، بدل شد. این شکل جالب، حتی در دماهای پایین، رسانای الکتریسته است. دانشمندان هیدروژن فلزی را با فشرده کردن آن در فشار بسیار بالا بین دو الماس فوق‌خالص ساختند. تاکنون هیچ‌کس با هیدروژن فلزی مواجه نشده بود، چرا که چنین حالت عجیبی، تاکنون وجود نداشته است. نظریه‌ها پیش‌بینی می‌کنند که می‌توان هیدروژن فلزی را به‌عنوان سوخت فوق‌العاده قدرتمند و سبک برای موشک‌ها استفاده کرد.

هیدروژن فلزی گریزپای

در سال 1935، دو فیزیکدان به‌ نام‌های وینگر و بل، پیش‌بینی کردند که در فشارهای بسیار بالا، حدود 25 گیگاپاسکال (یعنی حدود 246 هزار بار بیشتر از فشار اتمسفر)، پیوندهای عادی بین اتم‌های هیدروژن‌های فلزی می‌شکند و الکترون‌ها می‌توانند آزدانه حرکت کنند. به زبان ساده، یک ماده‌ی شفاف به ماده‌ای براق تبدیل می‌شود؛ یعنی همان ویژگی‌هایی که از یک فلز انتظار داریم. در واقع ما فلز را به‌صورت ماده‌ای تعریف می‌کنیم که حتی وقتی آن را تا پایین‌ترین دماهای ممکن (یعنی نزدیک صفر مطلق)، سرد کنیم، باز هم قادر به هدایت مقدار معینی از الکتریسیته است.

بعدا تحقیقات نشان دادند که برای چنین تبدیلی، فشارهای بسیار بالایی (نزدیک به فشار موجود در هسته یک سیاره) لازم است. هیدروژن فلزی، به سودای فیزیکدانان تبدیل شد و جام مقدس فیزیک لقب گرفت. مقاله‌های بسیار زیادی در زمینه فیزیک و شیمی نظری منتشر شدند که هر یک فشار بحرانی متفاوتی را برای این تبدیل، پیش‌بینی می‌کردند. به‌مرور محققان، راه‌هایی برای دستیابی به فشارهای بالا و بالاتر، پیدا کردند، اما هیچکس نتوانست به فشار لازم برای هیدروژن فلزی دست یابد. مشکل این بود: چه ماده‌ای می‌تواند آنقدر فشار ایجاد کند که اتم‌های هیدروژن را به‌اصطلاح، له کند؟

چالش‌های ساخت هیدروژن فلزی

محققان برای پاسخ به این سوال، به سراغ قدرتمندترین ماده دنیا رفتند: الماس! اما حتی الماس هم در فشارهای بسیار زیاد برای تولید هیدروژن فلزی، می‌شکند! بنابراین دانشمندان به دنبال راه‌هایی برای محکم‌تر کردن الماس گشتند. در واقع آنها در جستجوی سیستمی بودند که فاقد عوامل شکننده الماس باشد. الماس‌هایی که به طور طبیعی از زمین، استخراج می‌شوند، دارای ناسازگاری‌هایی در ساختار درونی‌شان هستند؛ بنابراین دانشمندان تصمیم گرفتند از الماس‌های سنتری یا ساختگی استفاده کنند که فاقد چنین ناسازگاری‌هایی هستند.

راه اصلی برای صیقل‌دادن الماس،‌استفاده از پودر الماس است، اما این روش می‌تواند باعث بیرون‌زدگی برخی از اتم‌های کربن از صفحه شبکه‌ای الماس شده و در واقع نوعی نقص ساختاری را ایجاد کند. این نقص ساختاری، باعث شکنندگی الماس شده و در نتیجه مطلوب نیست. در نتیجه دانشمندان از یک روش جایگزین، یعنی یک فرآیند شیمیایی برای نازک‌کردن لایه سطحی (یا همان صیقل دادن) استفاده کردند که نقص ساختاری ایجاد نمی‌کرد. این پایان مشکلات نبود! مشکل دیگر این بود که در چنین فشار بالایی، گاهی اتم‌های هیدروژن به درون الماس‌ها نفوذ کرده و باعث شکستن آنها می‌شدند. دانشمندان برای جلوگیری از بروز چنین مشکلی، الماس‌ها را با یک لایه آلومینیوم، پوشاندند.

در نهایت، کل سیستم تا دمای هلیوم مایع، یعنی 269- درجه سانتیگراد سرد شد و الماس‌ها، نمونه‌ی کوچک هیدروژن جامد را به‌شدت فشرده کردند. به قسمت هیجان‌انگیز ماجرا می‌رسیم: با افزایش فشار، ملکول‌های هیدروژن، شروع به تغییر رنگ کردند. هیدروژن شفاف، تبدیل به هیدروژن درخشان و براق شد. آزمایش‌های تکمیلی،‌ تایید کردند که این همان جام مقدس فیزیک یعنی هیدروژن فلزی است! اگر می‌پرسید بیشترین فشار به‌کار رفته در این فرآیند چه بود، باید بگویم، فشاری بیشتر از فشار موجود در هسته زمین: 495 گیگاپاسکال!

کاربردهای شگفت‌انگیز هیدروژن فلزی

دانشمندان هنوز چیز زیادی در مورد ویژگی‌های این ماده عجیب و غریب، نمی‌دانند. مجموعه دستگاهی این آزمایش،‌ هنوز در آزمایشگاه و منتظر آزمایش‌های بعدی است! تجربه نشان می‌دهد وقتی الماس‌ها را تا بیش از یک میلیون اتمسفر،‌ فشرده کرده و سپس رها کنیم، قطعا خواهند شکست. دانشمندان هنوز نمی‌دانند اگر فشارها را بردارند،‌ آیا هیدروژن فلزی، همچنان پایدار خواهد ماند یا نه؟ اگر چنین باشد و هیدروژن فلزی همچنان پس از حذف فشارها، پایدار باشد، می‌توان یکی دیگر از مواد انقلابی، یعنی ابررسانای دمای اتاق را به کمک آن ساخت. اگر برای ساخت دستگاه MRI از ابررساناهای دمای اتاق استفاده کنیم، دیگر نیازی به سردکردن آن تا دمای هلیوم مایع نخواهد بود.

از طرفی هیدروژن فلزی می‌تواند قوی‌ترین سوخت موشکی باشد که بشر تاکنون کشف کرده، به شرطی که بتوانیم راه‌های تولید انبوه آن را پیدا کنیم. اجازه دهید ببینیم هیدروژن مایع چطور می‌تواند نقش سوخت موشک را بازی کند: همانطور که گفتیم برای تولید هیدروژن فلزی، به فشار بسیار بالا و در نتیجه صرف انرژی بسیار زیاد نیازمندیم. وقتی اتم‌های هیدروژن دوباره با یکدیگر ترکیب شده و به شکل ملکولی عادی‌شان بازمی‌گردند، انرژی فوق‌العاده زیادی را آزاد خواهند کرد و از آنجایی که هیدروژن، سبک‌ترین عنصر است، ملکول بازترکیب شده، حدود ده مرتبه سبک‌تر از سوخت فعلی موشک‌ها خواهد بود.

دانشمندان قصد دارند پایداری هیدروژن فلزی و ابررسانایی دمای اتاق را در بوته آزمایش بگذارند. نتیجه این آزمایش انقلابی دیروز در ژورنال معتبر ساینس،‌ منتشر شد.